ΘΕΜΑ: «ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΜΕ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΚΑΙ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑΣ ΕΝOΠΟΙΗΣΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΚΟΝΑΣ MR ΣΤΟ MATLAB»

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΘΕΜΑ: «ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΜΕ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΚΑΙ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑΣ ΕΝOΠΟΙΗΣΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΚΟΝΑΣ MR ΣΤΟ MATLAB»"

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: «ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΜΕ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΚΑΙ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑΣ ΕΝOΠΟΙΗΣΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΚΟΝΑΣ MR ΣΤΟ MATLAB» ΠΡΟΠΤΥΧΙΑΚΟΣ ΦΟΙΤΗΤΗΣ:ΠΑΠΑΝΙΚΟΛΑΟΥ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣ-ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ:ΣΕΡΓΙΑΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Σελίδα 0 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2012

2 "Μέτρα τον άνθρωπο,όχι με τα λεφτά του, ούτε και με τις γνώσεις του ακόμη, αλλά με το ποσόν της ευτυχίας που χαρίζει στους συνανθρώπους του!" Χαράλαμπος Φουρναράκης

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Σεργιάδη Γεώργιο για την πολύτιμη βοήθεια του και την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με το συγκεκριμένο θέμα, μέσα από το οποίο κατάφερα να ασχοληθώ με ένα σημαντικό κομμάτι της Μαγνητικής Τομογραφίας και μέσω αυτού να ανανεώσω μεγάλο μέρος των γνώσεων που απέκτησα κατά την φοίτησή μου ως ηλεκτρολόγος μηχανικός. Θα ήθελα,επίσης, να ευχαριστήσω την κα Κατερίνα Νικηφοράκη και τον κ. Μανώλη Κωνσταντινίδη για τη συνεργασία τους την καθοδήγησή τους και τις εύστοχες παρατηρήσεις τους. Μέσα από την καρδιά μου ευχαριστώ τους Χριστίνα Κάκκαλου,Νίκο Ψαθά,Μιχάλη Πoικιλίδη,Σωτήρη Σταθακόπουλο,Πένη Κωνσταντινίδου,Γιάννη Κοκκινάκη, Εβίτα Νάρη,Tζίνα Νάρη,Τρύφων Παπαλεξάνδρου,Αθηνά Ηλιούδη,Αραμπατζή Βάσω,Γιάννη Δαϊνά κι ιδιαίτερα την Ευαγγελία Παναγιωτίδου για την βοήθεια τους. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τους τρεις συναδέλφους μου, Μπόλη Δημήτρη, Γιαγκά Βασιλική και Σημαιάκη Βασιλική, για τη διάθεση των διπλωματικών εργασιών και του κώδικα των προγραμμάτων τους στο Matlab. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Σελίδα 2

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στο 1 ο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά σε βασικές γνώσεις ανατομίας,φυσιολογίας και παθολογίας του ήπατος και του εγκεφάλου,καθώς και στις ενδείξεις διενέργειας απεικονιστικών εξετάσεων και,συγκεκριμένα, μαγνητικής τομογραφίας και στα πιθανά ευρήματα.τα συγκεκριμένα όργανα επιλέχθηκαν, αρχικά, γιατί ήταν το αντικείμενο μελέτης των εργασιών που χρησιμοποιήθηκαν στην πλατφόρμα ενοποίησης, αλλά και γιατί η παθολογία τους απεικονίζεται εξαιρετικά με την μαγνητική τομογραφία και τις διάφορες τεχνικές της. Για αυτό τον λόγο,γίνεται αναφορά των πλεονεκτημάτων της έναντι των άλλων μεθόδων απεικόνισης,όσον αφορά το ήπαρ, και περίληψη της χρησιμότητας των τεχνικών της μαγνητικής, όσον αφορά τον εγκέφαλο,ώστε να αναδειχθεί το ευρύ φάσμα εφαρμογών της. Στο 2 ο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στην έννοια της εικόνας,της ψηφιακής εικόνας,ανάλυση των χαρακτηριστικών,αναφορά στην επεξεργασία,τα γεωμετρικά στοιχεία,την προσέγγιση της εικόνας ως σήμα έννοια που θα μας συνδέσει με το επόμενο κεφάλαιο,για την μορφοποίηση της εικόνας,την διαχέιρηση της εικόνας και τέλος για τα πιθανά σφάλματα/λάθη που μπορούν να παρουσιάστούν στην εικόνα.όλα τα παραπάνω στοιχεία έχουν κοινή αναφορά την εικόνα απο τον μαγνητικό τομογράφο, αναφέρονται στην εικόνα από μαγνητικό τομογράφο και παρουσιάζονται πρωταρχικά στην εργασία λόγω του ότι η εικόνα είναι το πιο κοντινό επίπεδο ή αλλιως το μέσο επικοινωνίας με την επιστήμη της μαγνητικής τομογραφίας. Στο 3 ο κεφάλαιο, αρχικά, παρουσιάζεται το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού,το οποίο εκμεταλλεύεται η απεικόνιση μέσω μαγνητικής τομογραφίας. Στη συνέχεια, γίνεται επεξήγηση των μηχανισμών δημιουργίας αντίθεσης στην εικόνα MR,των εγγενών και των μεταβλητών παραμέτρων της εικόνας. Στη συνέχεια, γίνεται αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας παραγωγής της εικόνας στο MR, δηλαδή της μετάβασης από τη διέγερση στην μέτρηση του μεγέθους του σήματος, την καταγραφή του και την τελική μετατροπή για την παραγωγή της εικόνας. Τέλος, γίνεται αναλυτική περιγραφή στα μεγέθη που επηρεάζουν την εικόνα MR και πώς αυτά αλληλοεξαρτώνται. Στο 4 ο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στις διαφορετικές ακολουθίες παλμών που χρησιμοποιούνται στην MRI,στα κύρια χαρακτηριστικά τους και στην χρήση τους.ο διαχωρισμός που επιλέχθηκε στην παρουσίαση έχει να κάνει τόσο με την σημαντικότητα κάθε ακολουθίας όσο και με κάποιες κοινές ιδιότητες που παρουσιάζουν,στοιχείο που βοηθάει στην κατανόηση της λειτουργίας τους.συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι : Βασικές ακολουθίες παλμοσειρών,ακολουθίες που αποτελούν θεωρητική αλλά και πρακτική βάση στην ανάπτυξη όλων των ειδών παλμοσειρών. Ταχείες ακολουθίες παλμοσειρών,όπου γίνεται ανάλυση των ακολουθιών που δημιουργήθηκαν και των τεχνικών που χρησιμοποιούνται για μείωση του χρόνου απόκτησης εικόνας MR,κάτι που βελτιώνει έμμεσα την ποιότητα της εικόνας. Εξελιγμένες ακολουθίες παλμοσειρών,οι οποίες μπορούν να προσφέρουν πληροφορία για διάφορα χαρακτηριστικά αλλά και λειτουργίες του ανθρώπινου σώματος.ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στην MRI αγγειογραφίας,η οποία έχει πολλά κοινά χαρακτηριστικά με την diffusion MRI,που αναλύεται εκτενώς στο κεφάλαιο 5 και αποτελεί το πεδίο μελέτης της εργασίας. Στο 5 0 κεφάλαιο αναφέρονται οι βασικές φυσικές που διέπουν το φαινόμενο της διάχυσης,στη συνέχεια αναλύεται ο τρόπος παραγωγής εικόνων διάχυσης MRI. Επιπλέον,περιγράφονται τα διάφορα είδη MRI που στηρίζονται στο φαινόμενο της διάχυσης και,τέλος, θα γίνεται μία αναφορά στα σφάλματα και τις παραμορφώσεις που μπορεί να προκύψουν σε μία εικόνα MR διάχυσης. ΠΡΟΛΟΓΟΣ Σελίδα 3

5 Στο 6 ο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του προγράμματος που δημιουργήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας.αποτελείται από το GUI (Graphical User Interface) MEDIMAN(Medical Image Analyzer) μια πλατφόρμα ενοποίησης προηγούμενων GUI επεξεργασίας εικόνας από μαγνητικό τομογράφο τα οποία πριν συμπεριληφθούν ανανεώθηκαν με νέες λειτουργείες με στόχο την ευκολότερη χρήση τους,την ανάπτυξη νέων ιδιοτήτων και την μεταξύ τους διαδραστικότητα.από τα τέσσερα GUI που περιλαμβάνονται,μόνο το DWI_Liver_Analyzer κάνει χρήση εικόνων διάχυσης κι έτσι συνδέεται πιο άμεσα με το θεωρητικό τμήμα της εργασίας,ενώ αποτελεί το GUI με τις περισσότερες αλλάγες.κλείνοντας να αναφέρουμε πως δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στην αναπτυξη του κώδικα, με κατανοήτο τρόπο,εισάγοντας σχόλια στο μεγαλύτερο μέρος του και με τέτοιο τρόπο ώστε να γίνεται εύκολα η προσθήκη νέων GUI στο μέλλον για επεξεργασία εικόνων MR από διαφορετικά μέρη του αθρώπινου σώματος. ΠΡΟΛΟΓΟΣ Σελίδα 4

6 Περιεχόμενα ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Εισαγωγή Ήπαρ Ανατομία και λειτουργείες του ήπατος Αιμάτωση Παθολογία Όγκοι Απεικονιστικές Εξετάσεις Ο Εγκέφαλος Η Οργάνωση του Νευρικού Ιστού Βασική Ανατομία Τα μέρη του Εγκεφάλου Φαιά και Λευκή Ουσία Σύνδεσμοι Κοιλίες Φραγμοί στο ΚΝΣ Αιματική Παροχή και Φλεβική Αποχέτευση Ατροφία του Εγκεφάλου και Ογκομέτρηση Μέθοδοι ογκομέτρησης Ενδείξεις Χρήσης Ογκομέτρησης Οι Τεχνικές στην Κλινική Πράξη εν τάχει ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Εισαγωγή Η Εικόνα Φως και Στοιχεία ανθρώπινης όρασης Η Εικόνα κλίμακας του γκρίζου (grayscale) Ψηφιακή και αναλογική (ιατρική) εικόνα Βασικά Μεγέθη της Ψηφιακής εικόνας Ιστόγραμμα Εικόνας Ψηφιακή Επεξεργασία κι Ανάλυση εικόνων ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα 5

7 Βασικές τεχνικές επεξεργασίας εικόνας Μετασχηματισμοί φωτεινότητας Χωρικά φίλτρα Κυλιόμενα φίλτρα Γραμμικό χωρικό φιλτράρισμα Ανίχνευση ακμών στην εικόνα Tμηματοποίηση εικόνας Ανάλυση ψηφιακής εικόνας Ανάλυση Σχήματος (shape analysis) Ανάλυση υφής (Texture Analysis) Μέθοδοι ανάλυσης υφής Ταξινόμηση Προτύπων(Pattern Classification) Παραμορφώσεις (artifacts) σε εικόνες από μαγνητικό τομογράφο* Απόκλιση του DC και εμφάνιση τετραγωνισμένου ειδώλου /RF Offset and Quadrature Ghost RF θόρυβος Ανομοιογένεια στο βασικό στατικό πεδίο Β Πεδία κλίσης /Gradient Ανομοιογένεια στο RF Μαγνητική Επιδεκτικότητα Κίνηση Ροή Χημική Μετατόπιση(Chemical Shift) Περιτύλιξη εικόνας Μερική απεικόνιση όγκου Παραμόρφωση του Gibbs Μαγική Γωνία Διαχείρηση Εικόνων P.A.C.S Το πρότυπο Dicom ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ 74 Εισαγωγή Φαινόμενο Πυρηνικού Μαγνητικού συντονισμού Επίδραση RF διεγέρσεως στην μαγνήτιση M Αποκατάσταση T Απόσβεση T ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα 6

8 Μηχανισμοί δημιουργίας αντίθεσης στην εικόνα MR Προσανατολισμός Τ Προσανατολισμός T Proton density weighting Παραγωγή Εικόνας MR Πηνία βαθμίδωσης / Gradients Επιλογή τομής Κωδικοποίηση Κωδικοποίηση φάσης Κωδικοποίηση Συχνότητας Ο K χώρος Συμπλήρωση K χώρου και πλάτος του σήματος Συμπλήρωση K χώρου και χωρική ανάλυση Απόκτηση Δεδομένων Από το σήμα στην εικόνα Απόκτηση δεδομένων και κωδικοποίηση συχνότητας Εύρος ζώνης λήψης Απόκτηση δεδομένων και κωδικοποίηση φάσης Συμπλήρωση δεδομένων και χρόνος σάρωσης NSA/NEX Συμπλήρωση και συλλογή των δεδομένων του Κ χώρου Μεγέθη που χαρακτηρίζουν την Ποιότητα εικόνας MR Μαθηματικές σχέσεις Ο σηματοθορυβικός λόγος (Signal-to-noise ratio ) Λόγος αντίθεσης εικόνας προς θόρυβο(cnr) Χωρική ανάλυση Ογκος voxel SNR και χωρική ανάλυση Πίνακας εικόνας και χωρική ανάλυση Αλλαγή του πεδίου προβολής (FOV) και σχέση με το SNR Αλλαγή στο πάχος της τομής και σχέση με το SNR Χρόνος σάρωσης Συμβιβασμοί ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΚΟΛΟΥΘΙΕΣ ΡΑΔΙΟΠΑΛΜΩΝ ΣΤΟ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟ Εισαγωγή Βασικές ακολουθίες παλμοσειρών ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα 7

9 Η λειτουργία των παλμοσειρών-σύνδεση με τη θεωρία NMR Η συμβατική ακολουθία SE Ακολουθία Inversion Recovery Ταχείες ακολουθίες παλμοσειρών Ακολουθία Gradient Echo Ταχεία/ υπερταχεία spin echo (FastSE/ TurboSE) Echo Planar Imaging/EPI (Λειτουργική μαγνητική τομογραφία) Τεχνική Παράλληλης απεικόνισης (Parallel Imaging) Έλικοειδης απεικόνιση Εξελιγμένες ακολουθίες παλμοσειρών Απεικόνιση ροής (MRI αγγειογραφία) Αγγειογραφία χρόνου πτήσης (time of flight) Αγγειογραφία αντίθεσης φάσης Αγγειογραφία Ενισχυμένης Αντίθεσης Λειτουργική μαγνητική τομογραφία Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Μαγνητική Τομογραφία Ελαστογραφίας (MRE) Συντονισμός Ηλεκτρόνιου Περιστροφής (η ESR) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ (DIFUSSION WEIGHTED MRI) Εισαγωγή ΔΙΑΧΥΣΗ Φαινομενικός συντελεστής διάχυσης ADC Ισοτροπικό περιβάλλον Ανισοτροπικό περιβάλλον Απεικόνιση διάχυσης Απόκτηση εικόνας διάχυσης Ακολουθίες διάχυσης O q-χώρος σε ανάλογία με τον Κ-χώρο Διαφορετικες τεχνικές παραγωγής εικόνας MR διάχυσης DW-MRI Απεικόνιση με χάρτη ADC Απεικόνιση τανυστή διάχυσης (Diffusion Tensor Imaging /DTI) Μαγνητική Φασματοσκοπία διάχυσης εσµιδογραφία (Tractography) Απεικόνιση τανυστή διάχυσης (DTI) vs Μαγνητική Φασματοσκοπία διάχυσης(dsi) στην δεσμιδογραφία ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα 8

10 Σφάλματα (artifacts) στην απεικόνιση διάχυσης Κλινικές εφαρμογές της μαγνητικής τομογραφίας διάχυσης Κλινικές εφαρμογές της DW MRI στον Εγκέφαλο Ισχαιμικό Εγκεφαλικό Επεισόδιο DW και perfusion-weighted MR απεικόνιση για την αξιολόγηση του εγκεφαλικού επεισοδίου H αξιοπιστία της DW απεικόνισης σε οξύ επεισόδιο Συσχέτιση της DW MR απεικόνισης με την κλινική πορεία Νεογνική υποξική ισχαιμική εγκεφαλοπάθεια Παροδικά ισχαιμικά επεισόδια Άλλες παθήσεις που μιμούνται εγκεφαλικό επεισόδιο Μαζες ΕΝΔΟΚΡΑΝΙΕΣ ΛΟΙΜΩΞΕΙΣ πυογόνος λοίμωξη Creutzfeldt-Jakob Τραύμα Αιμορραγία Απομυελίνωση Πολλαπλή σκλήρυνση Οξεία διάχυτη εγκεφαλομυελίτιδα Συμπέρασμα Κλινικές εφαρμογές του 3-Τ DWI στον προστάτη Ποιοτική Ανάλυση των DWI Χαρακτηρισμός όγκου Αιμορραγία μετά από βιοψία Εργαλείο στοχευμένης βιοψίας Παρακολούθηση μετά την αγωγή Κλινικές εφαρμογές της DW-MRI στο ήπαρ Εστιακές βλάβες του ήπατος Χαρακτηρισμός της βλάβης- Οπτική εκτίμηση της DW-MR Εκτίμηση της ανταπόκρισης στη θεραπεία Διάχυτη ηπατική νόσος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΡΙΦΡΑΦΗ ΓΡΑΦΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΟΝΤΟΣ (GUI) MEDIMAN Εισαγωγή MEDIMAN Aristotle Brain Analyzer ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα 9

11 DWI_Liver_Analyzer Fuzzy Logic Image Processor Επιπρόσθετες λειτουργίες Dicom Image Viewer Οδηγίες χρήσης Περιγραφη Κουμπιών Μελλοντική ανάπτυξη BΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα 10

12 Σελίδα 11

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Εισαγωγή Στο πρώτο αυτό κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά σε βασικές γνώσεις ανατομίας,φυσιολογίας και παθολογίας του ήπατος και του εγκεφάλου,καθώς και στις ενδείξεις διενέργειας απεικονιστικών εξετάσεων και,συγκεκριμένα, μαγνητικής τομογραφίας και στα πιθανά ευρήματα.τα συγκεκριμένα όργανα επιλέχθηκαν, αρχικά, γιατί ήταν το αντικείμενο μελέτης των εργασιών που χρησιμοποιήθηκαν στην πλατφόρμα ενοποίησης, αλλά και γιατί η παθολογία τους απεικονίζεται εξαιρετικά με την μαγνητική τομογραφία και τις διάφορες τεχνικές της. Για αυτό τον λόγο,γίνεται αναφορά των πλεονεκτημάτων της έναντι των άλλων μεθόδων απεικόνισης,όσον αφορά το ήπαρ, και περίληψη της χρησιμότητας των τεχνικών της μαγνητικής, όσον αφορά τον εγκέφαλο,ώστε να αναδειχθεί το ευρύ φάσμα εφαρμογών της. Ήπαρ Το ήπαρ είναι ο μεγαλύτερος αδένας του ανθρώπινου σώματος, με βάρος που αποτελεί περίπου το 2% του συνολικού βάρους του σώματος, και ένα από τα σπουδαιότερα όργανα του, καθώς διατηρεί την μεταβολική ομοιόσταση του οργανισμού,ευρισκόμενο στο σταυροδρόμι μεταξύ της πεπτικής οδού και του υπόλοιπου σώματος. Έχει εύρος λειτουργιών στο οποίο περιλαμβάνεται η διήθηση και αποθήκευση του αίματος,η καταστροφή ερυθροκυττάρων,η ανοσιακή λειτουργία,ο μεταβολισμός υδατανθράκων, λιπών, πρωτεϊνών, ορμονών και εξωγενών χημικών ουσιών, η αποθήκευση γλυκογόνου και η παραγωγή ορμονών, η σύνθεση χολής,η αποθήκευση βιταμινών και σιδήρου και η σύνθεση παραγόντων πήξης του αίματος. Ανατομία και λειτουργείες του ήπατος Το ήπαρ είναι ένα όργανο χρώματος κοκκινωπού καφέ, με τέσσερις λοβούς, διαφορετικού μεγέθους και σχήματος. Βρίσκεται κάτω από το διάφραγμα, καταλαμβάνει ολόκληρο το δεξιό και άνω μέρος της κοιλίας, που ονομάζεται δεξιό υποχόνδριο, τμήμα του ιδίως επιγαστρίου, στο κεντρικό και άνω μέρος της κοιλιάς, και τμήμα του αριστερού υποχονδρίου. Έχει σφηνοειδές σχήμα, με την βάση προς τα δεξιά και την κορυφή προς τα αριστερά. Διακρίνουμε τρία χείλη, το πρόσθιο,το δεξιό και το αριστερό και τρεις επιφάνειες, την άνω,την κάτω και την οπίσθια. Στην κάτω επιφάνεια του ήπατος υπάρχουν οι πύλες,δια των οποίων εισέρχονται η πυλαία φλέβα και η ηπατική αρτηρία και εξέρχεται ο χοληδόχος πόρος. Στην κάτω επιφάνεια του δεξιού λοβού υπάρχει ο κυστικός βόθρος με την χοληδόχο κύστη, καθώς επίσης και διάφορα εντυπώματα που σχηματίζονται από πιέσεις των πέριξ σπλάχνων (κολικό,νεφρικό, δωδεκαδακτυλικό, πυλωρικό). Αντίστοιχα, στην κάτω επιφάνεια του αριστερού λοβού βρίσκεται το γαστρικό και το οισοφαγικό εντύπωμα από την πίεση των ομώνυμων οργάνων.η άνω επιφάνεια του ήπατος καλύπτεται από το διάφραγμα,ενώ η οπίσθια βρίσκεται οπισθοπεριτοναϊκά. Οι σύνδεσμοι του ήπατος,ο δρεπανοειδής,οι δύο στεφανιαίοι και οι δύο τριγωνικοί,αναρτούν το ήπαρ από το διάφραγμα και το κοιλιακό τοίχωμα,ενώ ο στρογγύλος σύνδεσμος συνδέει τον ομφαλό με τις πύλες του.με τον δρεπανοειδή σύνδεσμο το ήπαρ χωρίζεται σε δεξιό και αριστερό λοβό,ενώ οι στεφανιαίοι σύνδεσμοι, ο μεν δεξιός αφορίζει και περιβάλλει με τα δύο πέταλά του την οπίσθια επιφάνεια του δεξιού λοβού,ο δε αριστερός συγκρατεί με τα δύο πέταλά του τον αριστερό λοβό από το διάφραγμα και τις κατώτερες πλευρές. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 12

14 Το ήπαρ περιβάλλεται εξωτερικά,εκτός από τις θέσεις πρόσφυσης των συνδέσμων, από το περιτόναιο. Κάτω από αυτό υπάρχει μια στοιβάδα από χαλαρό συνδετικό ιστό, η κάψα του Glisson, η οποία από τις πύλες δημιουργεί προσεκβολές προς τα μέσα,τα έλυτρα του Glisson, τα οποία περιβάλλουν τα πυλαία διαστήματα.κάθε ένα από αυτά περιέχει κλάδο της ηπατικής αρτηρίας, κλάδο της πυλαίας φλέβας, ένα χοληφόρο πόρο και λεμφαγγεία. Το ηπατικό λοβίο παριστά την βασική ανατομική και λειτουργική μονάδα του ήπατος και αποτελεί μεικτό αδένα,με κύριο χαρακτηριστικό ότι τα ίδια τα κύτταρα αποτελούν την ενδοκρινή και εξωκρινή μοίρα του.έχει σχήμα πολύπλευρης πυραμίδας και από την κορυφή ως την βάση του διαπερνάται από την κεντρική ή ενδοφλέβια φλέβα,ενώ στις γωνίες της υπάρχουν τα πυλαία διαστήματα. Μέσα στο ηπατικό λοβίο υπάρχουν : Τα ηπατικά κύτταρα Τα κολποειδή τριχοειδή, που προέρχονται από τους μεσολόβιους κλάδους της πυλαίας φλέβας (φλεβώδεις κόλποι), με τα ενδοθηλιακά κύτταρα και τα μακροφάγα κύτταρα του Kupffer και Τα χοληφόρα σωληνάρια. Οι κυριότερες λειτουργίες του ηπατικού λοβίου είναι : Η σύνθεση των πρωτεϊνών του πλάσματος. Ο μεταβολισμός των υδατανθράκων,των αμινοξέων,των λιπιδίων και των ορμονών. Η εναπόθεση γλυκογόνου,η οποία παίζει ρόλο στην σωστή ρύθμιση των επιπέδων της γλυκόζης στο αίμα, μεταλλικών στοιχείων, όπως σίδηρο και χαλκό, και βιταμινών Α, D και Β. Ο σχηματισμός της χολής,η οποία χρησιμοποιείται για την πέψη των λιπιδίων. Διάφορες άλλες λειτουργίες όπως είναι η μετατροπή της αμμωνίας,των πορφυρινών,και των πουρινών αντίστοιχα σε ουρία,χολερυθρίνη και ουρικό οξύ οι οποίες με την βοήθεια των νεφρών αποβάλλονται από τον οργανισμό. Αιμάτωση Το ήπαρ έχει διπλή αιματική παροχή, από την πυλαία φλέβα και από την ηπατική αρτηρία. Η πυλαία φλέβα, που παρέχει περίπου το 75% της αιματικής παροχής στο ήπαρ, μεταφέρει φλεβικό αίμα από το σπλήνα, από το γαστρεντερικό σωλήνα και τα επιμέρους όργανα που το αποτελούν. Η ηπατική αρτηρία συνεισφέρει το υπόλοιπο 25% της αιματικής παροχής και μεταφέρει αρτηριακό αίμα στο ήπαρ. Οξυγόνο παρέχεται και από τις 2 πηγές αιμάτωσης. Οι απαιτήσεις σε οξυγόνο καλύπτονται περίπου εξ ημισείας από την πυλαία φλέβα και την ηπατική αρτηρία. Το αίμα περνά διαμέσου των κολποειδών τριχοειδών και διοχετεύεται στο κεντρικό φλεβίδιο κάθε λοβίου. Τα κεντρικά φλεβίδια ενώνονται σε ηπατικές φλέβες, οι οποίες και εγκαταλείπουν το ήπαρ. Παθολογία Οι ηπατικές παθήσεις ταξινομούνται με κλινικά και παθολογοανατομικά κριτήρια. Σε σύνοψη είναι οι εξής: α) φλεγμονώδεις διαταραχές :οξεία και χρόνια ηπατίτιδα, β) ηπατική νόσος από φάρμακα και τοξίνες, γ) συγγενείς διαταραχές του μεταβολισμού, δ) αποφρακτική νόσος της χοληφόρου οδού, ε) κυκλοφορικές διαταραχές,στ) όγκοι και συναφείς καταστάσεις. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 13

15 Στην μελέτη της παθολογίας του ήπατος εντάσσεται και αυτή της χοληδόχου κύστης και των εξωηπατικών χοληφόρων πόρων λόγω στενής ανατομικής εντόπισης των οργάνων αυτών και αιτιολογικής συσχέτισης της παθολογίας τους. Αυτές ταξινομούνται ως εξής :α) φλεγμονώδεις διαταραχές,β) απόφραξη εξωηπατικών χοληφόρων, γ) όγκοι. Όγκοι Ορισμοί,Ταξινομήσεις κι Ονοματολογία Ο όρος όγκος ή νεόπλασμα αντιστοιχεί στις παθολογικές μάζες που αναπτύσσονται ως αποτέλεσμα της νεοπλασματικής εξαλλαγής των κυττάρων, λόγω γενετικών μεταβολών, και της παθολογικής,αυτόνομης ή σχετικά αυτόνομης, αύξησής τους,η οποία επιμένει και μετά την παύση του γενεσιουργού αιτίου. Ο όρος καρκίνος αντιστοιχεί σε κακοήθη όγκο,δηλαδή όγκο που φέρει επιπλέον την χαρακτηριστική δυνατότητα να διασπείρεται σε άλλους ιστούς,δηλαδή να διηθεί και να μεθίσταται. Η διήθηση αποτελεί από μόνη της το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό της κακοήθειας και οφείλεται σε παθολογική κυτταρική κινητικότητα και συνοχή, ενώ η μετάσταση είναι το τελικό αποτέλεσμα της διασποράς με το σχηματισμό μεταστατικού νεοπλάσματος απομακρυσμένου από την αρχική νεοπλασματική εστία. Μία πρώτη ταξινόμηση, λοιπόν, των νεοπλασμάτων πραγματοποιείται με βάση την βιολογική συμπεριφορά σε καλοήθη και κακοήθη νεοπλάσματα. Τα πρώτα είναι μη διηθητικά, αναπτύσσονται βραδέως και παρουσιάζουν καλά περιγεγραμμένη περιφέρεια ή περιβαλλόμενη από κάψα και μεγάλη ιστολογική ομοιότητα με τον ιστό προέλευσής τους. Τα κακοήθη αντίθετα είναι διηθητικά, με σχετικά ταχύτερο ρυθμό ανάπτυξης, συχνά ασαφώς αφοριζόμενη περιφέρεια και μικρή ιστολογική ομοιότητα με τον ιστό προέλευσής τους. Μεθίστανται μέσω των οδών μετάστασης: αιματογενώς, λεμφογενώς, με εμφύτευση και με διασπορά σε ορογόνες κοιλότητες του σώματος. Μια δεύτερη ταξινόμηση πραγματοποιείται με βάση το κύτταρο προέλευσης και ονομάζεται ιστογενετική. Έτσι,έχουμε τους όγκους που προέρχονται από επιθηλιακά κύτταρα,από μεσεγχυματογενείς ιστούς και από λεμφικά και αιμοποιητικά όργανα. Ο όρος διαφοροποίηση καταδεικνύει το βαθμό κατά τον οποίο το νεόπλασμα παρουσιάζει ιστολογική ομοιότητα προς το κύτταρο ή τον ιστό προέλευσής του. Στα καλοήθη νεοπλάσματα δεν αποδίδεται βαθμός διαφοροποίησης,αφού πάντα ομοιάζουν,ενώ στα κακοήθη ο βαθμός διαφοροποίησης αποτελεί κλινικό εργαλείο και καθορίζει την θεραπευτική προσέγγιση και την επιβίωση του ασθενούς. Η ονοματολογία των νεοπλασμάτων ακολουθεί συγκεκριμένους κανόνες ώστε να αντικατοπτρίζει την κατηγορία ταξινόμησης. Όλα τα νεοπλάσματα φέρουν την κατάληξη ώμα,τα καλοήθη μεσεχγυματογενή φέρουν πρόθεμα που δηλώνει το κύτταρο προέλευσης,τα κακοήθη επιθηλιακής προέλευσης ονομάζονται καρκινώματα και τα κακοήθη μεσεγχυματογενή ονομάζονται σαρκώματα. Καρκίνωμα in situ ονομάζεται κάθε νεόπλασμα επιθηλιακής προέλευσης που παρουσιάζει όλα τα κυτταρολογικά χαρακτηριστικά της κακοήθειας αλλά δεν έχει διηθήσει ακόμα τη βασική μεμβράνη του επιθηλίου που το χωρίζει από πιθανές οδούς μετάστασης. Όγκοι του Ήπατος Οι καλοήθεις όγκοι είναι οι εξής: Ηπατοκυτταρικό αδένωμα Αιμαγγείωμα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 14

16 Αμάρτωμα χοληφόρων πόρων Εστιακή οζώδης υπερπλασία Σπάνια δημιουργούν σοβαρή κλινική εικόνα,αλλά είναι δυνατόν να δημιουργούν διαφοροδιαγνωστικά προβλήματα και να συγχέονται με κακοήθη. Οι πρωτοπαθείς κακοήθεις όγκοι είναι οι εξής: Ηπατοκυτταρικό καρκίνωμα Χολαγγειοκαρκίνωμα Αγγειοσάρκωμα Ηπατοβλάστωμα (της παιδικής ηλικίας) Το ηπατοκυτταρικό καρκίνωμα είναι ο πέμπτος συχνότερος καρκίνος παγκοσμίως και η τέταρτη συχνότερη αιτία θανάτου λόγω καρκίνου και παρουσιάζει συνεχή και ταχεία αύξηση νέων περιστατικών σε πολλές χώρες του κόσμου με υψηλότερη συχνότητα στην Κίνα, την Ταϊβάν και την Μοζαμβίκη, όπου τα ποσοστά επίπτωσης μεταξύ των ανδρών προσεγγίζουν τα 150 ανά Οι έντονες διαφορές στην συχνότητα ανάμεσα στα έθνη σχετίζεται με τον επιπολασμό της λοίμωξης από τον ιό της ηπατίτιδας Β. Στην Ελλάδα παρουσιάζει μέτρια συχνότητα, αλλά μεγαλύτερη από αυτή της Δυτικής και της Βόρειας Ευρώπης. Στον Δυτικό κόσμο, όπου οι φορείς του ιού δεν είναι συνήθεις,το ηπατοκυτταρικό καρκίνωμα αναπτύσσεται σε έδαφος κίρρωσης στο 85-90% αποτελώντας την κυριότερη αιτία θανάτου σε κιρρωτικούς ασθενείς. Επιπλέον, φαίνεται πως οι άνδρες προσβάλλονται συχνότερα,γεγονός που εξηγείται λόγω λειτουργικών διαφορών του ήπατος ανάμεσα στα δύο φύλα. Οι διαφορές αυτές έχουν σχέση με την εφηβεία, την αυξητική ορμόνη και τα γονίδια που εκφράζονται στο ήπαρ των αντρών και των γυναικών. Επίσης, το ήπαρ των αντρών πιθανόν να αντιδρά διαφορετικά σε παράγοντες όπως τα αντιβιοτικά, άλλα φάρμακα ή ουσίες από ότι το ήπαρ των γυναικών. Οι παράγοντες που αυξάνουν τον κίνδυνο προσβολής από καρκίνο του ήπατος είναι: Ηπατίτιδες: Οι χρόνιες λοιμώξεις του ήπατος από τους ιούς που προκαλούν ηπατίτιδα Β και C είναι σε θέση να προκαλούν καρκίνο του ήπατος. Κίρρωση του ήπατος: Η κίρρωση ανεξαρτήτως αιτιολογίας Αποτελεί σημαντική αλλά όχι αναγκαία συνθήκη για την ανάπτυξη καρκινώματος. Στην κίρρωση τα ηπατοκύτταρα καταστρέφονται και αντικαθίστανται από ινώδη ιστό. Η κίρρωση είναι δυνατόν να προκληθεί από κατάχρηση αλκοόλ, ιούς, φάρμακα, χημικές ουσίες. Αφλατοξίνες: καρκινογόνες τοξίνες των μυκήτων,οι οποίες παράγονται από τον μύκητα Αspergillous flavus, που μολύνει τρόφιμα αποθηκευμένα σε υγρές συνθήκες. Το φύλο: Οι άνδρες παρουσιάζουν με μεγαλύτερη συχνότητα τη νόσο. Οικογενειακό ιστορικό: Άτομα με οικογενειακό ιστορικό καρκίνου του ήπατος έχουν περισσότερες πιθανότητες να προσβληθούν από τη νόσο. Ηλικία: Στους ηλικιωμένους άνω των 60 ετών η νόσος είναι συχνότερη. Οι μεταστάσεις από κακοήθη όγκο άλλου οργάνου είναι συχνότερες των πρωτοπαθών όγκων. Προέρχονται κυρίως από καρκίνο του στομάχου, του κόλου, του παγκρέατος, του πνεύμονα και του μαστού. Συχνά, είναι πολυάριθμες με διάφορο μέγεθος σχήμα και εντοπίζονται πολλές φορές περιφερικά. Στην μαγνητική τομογραφία απεικονίζονται εξαιρετικά με χαμηλότερο σήμα από το παρέγχυμα στις Τ 1 WI εικόνες και υψηλό σήμα στις T 2 WI εικόνες. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 15

17 Απεικονιστικές Εξετάσεις Η εξέλιξη των απεικονιστικών μεθόδων έχει βοηθήσει στη διερεύνηση των νοσημάτων του ήπατος.οι άπλες ακτινογραφίες,οι απεικονιστικές εξετάσεις με σκιαγραφικά μέσα, το υπερηχοτομογράφημα, η αξονική και μαγνητική τομογραφία, ο ραδιοϊσοτοπικός έλεγχος, καθώς και επεμβατικές μέθοδοι, όπως η διαδερμική χολαγγειογραφία, η διεγχειρητική χολαγγειογραφία,η ενδοσκοπική παλίνδρομη χολαγγειοπαγκρεατο-γραφία και η εκλεκτική αρτηριογραφία συχνά συνδυάζονται στα πλαίσια της διαγνωστικής προσέγγισης και μπορούν να συμπληρώσουν η μία την άλλη. Επιπλέον, είναι λογικό πως η απεικόνιση του ηπατικού παρεγχύματος πραγματοποιείται ταυτόχρονα με την απεικόνιση του χολαγγειακού δένδρου. Μέσω των απεικονιστικών μεθόδων μπορούν να εντοπισθούν περιοχές, ενδεικτικές της παρουσίας όγκου. Η επιβεβαίωση της διάγνωσης κακοήθειας, όμως, πραγματοποιείται μόνο με τη βιοψία ήπατος με λεπτή βελόνη διαδερμικά ή με ανοικτή βιοψία διεγχειρητικά, κατά τις οποίες λαμβάνεται μικρό τμήμα του όγκου. Το δείγμα αυτό εξετάζεται στο μικροσκόπιο για την παρουσία καρκινικών κυττάρων. Η ανάδειξη «μάζας» στο ήπαρ γίνεται κυρίως με την βοήθεια του υπερήχου,της αξονικής και της μαγνητικής τομογραφίας. Απεικόνιση κύστης ήπατος Εικόνα μάζας,εκτός από τα νεοπλάσματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, εμφανίζουν και οι απλές κύστεις του ήπατος. Αυτές μπορεί να είναι μονήρεις ή πολλαπλές και διαγιγνώσκονται εύκολα στον υπέρηχο με την απεικόνιση των εξης στοιχείων: Σαφή όρια Απουσία ηχοανακλάσεων εντός αυτών και Ενίσχυση των ήχων στο οπίσθιο τοίχωμα τους : χαρακτηριστική ακουστική ενίσχυση Στην αξονική εμφανίζουν : ομοιογενές περιεχόμενο και πυκνότητες σε μονάδες Hounsfield παρόμοιες με αυτές του ύδατος μη εμπλουτιζόμενο τοίχωμα μετά την ενδοφλέβια χορήγηση σκιαγραφικού Στην μαγνητική εμφανίζουν: χαμηλό σήμα στις Τ 1 WI εικόνες και υψηλό σήμα στις T 2 WI εικόνες. Απεικόνιση αιμαγγειώματος Στον υπέρηχο: υπερηχοϊκή εξεργασία, που ξεχωρίζει εμφανώς από το υπόλοιπο παρέγχυμα Στην αξονική: στρογγυλή βλάβη χαμηλής πυκνότητας, που εμπλουτίζεται χαρακτηριστικά από την περιφέρεια προς το κέντρο εντός λίγων λεπτών Στην μαγνητική: πολύ υψηλό σήμα στις T 2 WI εικόνες, ομοίως με τις καλοήθεις κύστεις και αντίθετα από τις κακοήθεις νεοπλασματικές εξεργασίες. Εμπλουτισμός μετά την χορήγηση παραμαγνητικής ουσίας, όμοιος με εκείνον της αξονικής. Απεικόνιση αδενώματος Στην αξονική: Ισοπυκνωτικό-υποπυκνωτικό Ελαφρύς εμπλουτισμός μετά την ενδοφλέβια χορήγηση σκιαγραφικού, επειδή περιέχουν ποσότητα λίπους. Απεικόνιση εστιακής οζώδους υπερπλασίας Στην αξονική: Ισοπυκνωτική-υποπυκνωτική ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 16

18 Εμπλουτισμός κυρίως στην αρτηριακή φάση, μετά την ενδοφλέβια χορήγηση σκιαγραφικού Στην μαγνητική: Ίδιο ή ελαφρώς χαμηλότερο σήμα από το ηπατικό παρέγχυμα Στο κέντρο: ουλώδης συνδετικός ιστός με χαμηλό σήμα στις Τ 1 και στις Τ 2 εικόνες Εμπλουτισμός κυρίως στην αρτηριακή φάση, μετά την ενδοφλέβια χορήγηση σκιαγραφικού Απεικόνιση ηπατοκυτταρικού καρκινώματος Στον υπέρηχο: Υποηχοϊκές και υπερηχοϊκές περιοχές Στην αξονική: Ισοπυκνωτικά ή ελαφρώς υποπυκνωτικά Μετά την έχγυση σκιαγραφικού, εμπλουτίζονται ανομοιογενώς και εμφανίζουν μεγάλη κεντρική νεκρωτική εστία Απεικόνιση μεταστάσεων Στον υπέρηχο Υποηχοϊκές συχνότερα ή και υπερηχοϊκές περιοχές ή ακόμα και μεικτή απεικόνιση Ποικίλο σχήμα Με την πάροδο του χρόνου πολλές εμφανίζουν κεντρική νέκρωση και σπάνια έχουν απεικονιστικούς χαρακτήρες κύστης Στην αξονική Στρογγυλές ενδοηπατικές εξεργασίες Χαμηλότερης πυκνότητας νεκρωτικό κέντρο Έντονος εμπλουτισμός τοιχώματος μετά την έγχυση ενδοφλέβιου σκιαστικού Στην μαγνητική χαμηλότερο σήμα από το παρέγχυμα στις Τ 1 WI εικόνες και υψηλό σήμα στις T 2 WI εικόνες. Όσον αφορά την μαγνητική τομογραφία (MRI), αποτελεί άριστη απεικονιστική εξέταση, πλεονεκτώντας έναντι των υπολοίπων μεθόδων,στην δυνατότητα ελέγχου σε πολλά επίπεδα και στην λήψη τομών κάτω από διαφορετικές ακολουθίες. Διαφοροδιαγνωστικά προβλήματα, ιδιαίτερα σε έδαφος λιπώδους ηπατικής διήθησης, επιλύονται με την παρουσία ποικιλίας του σήματος αναλόγως του βαθμού της αγγείωσης, της νέκρωσης και της ύπαρξης αιμορραγικών στοιχείων. Προσφέρει πληροφορίες σχετικές με το παρέγχυμα,το χολαγγειακό δένδρο,τις πύλες του ήπατος και τις μεταβολικές παθήσεις,οι οποίες δεν προσφέρονται από την αξονική ή το υπερηχογράφημα,αν και αποτελούν εξετάσεις πρώτης γραμμής για την απεικόνιση του ήπατος. Επιπλέον, διευκολύνεται η ανίχνευση μικρών ενδοηπατικών όγκων, λόγω της απεικόνισης με την MRI του περιεστιακού οιδήματος που τους συνοδεύει. Από δημοσιευμένες μετααναλύσεις συμπεραίνεται η υπεροχή της μαγνητικής τομογραφίας στον χαρακτηρισμό ηπατικών εστιών μικρότερων του 1εκ Η χρήση εξωκυτταρίων (Gd-DTPA) σκιαγραφικών ουσιών και ειδικών σκιαγραφικών ουσιών, ουσιών με στόχο το ηπατοκύτταρο (Mn-DPDP), ουσιών με μεικτή δράση (Gd-BOPTA, Gd-EOB- DTPA) και άλλων που προσλαμβάνονται από το δικτυοενδοθηλιακό σύστημα (SPIO, USPIO), έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμη στην ανίχνευση και διάγνωση των ηπατικών μεταστάσεων. Τα εξωκυττάρια σκιαγραφικά δίνουν πληροφορίες για τους μορφολογικούς χαρακτήρες μίας ηπατικής βλάβης, ενώ τα ειδικά σκιαγραφικά δίνουν σημαντικές πληροφορίες για το είδος των κυττάρων και τη λειτουργία τους. Ιδιαίτερα οι σκιαγραφικές ουσίες μεικτού τύπου με ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 17

19 εξωκυττάριες και ηπατοκυτταρικές ιδιότητες, επιτρέπουν τον ακριβή χαρακτηρισμό στις περιπτώσεις όπου συνυπάρχουν καλοήθεις και κακοήθεις αλλοιώσεις στον ίδιο ασθενή. Τα τελευταία χρόνια η ανάδειξη ηπατικών μεταστάσεων σε πρώιμο στάδιο έχει διευκολυνθεί ιδιαίτερα από την εξέλιξη των πολυτομικών υπολογιστικών τομογράφων ή τομογράφων πολλαπλών ανιχνευτών (Multi Detector Computed Tomography MDCT).Ο μικρός χρόνος εξέτασης, η δυνατότητα χρήσης λεπτού πάχους τομής και η αξιοποίηση στο μέγιστο των ιδιοτήτων των σκιαγραφικών ουσιών αποτελούν τα κυριότερα πλεονεκτήματα της μεθόδου, όσον αφορά στην ανίχνευση και τον χαρακτηρισμό μικρών ηπατικών μεταστάσεων. Η υπολογιστική τομογραφία πολλαπλών φάσεων χρησιμοποιείται στη διάγνωση και τη σταδιοποίηση του ηπατοκυτταρικού καρκίνου (ΗΚΚ), στον αποκλεισμό πολυεστιακής νόσου και στην επιλογή των ασθενών για χειρουργική επέμβαση. Η ευαισθησία της υπολογιστικής τομογραφίας στη διάγνωση του ΗΚΚ κυμαίνεται στις διάφορες σειρές από 87-94% και εξαρτάται τόσο από το μέγεθος του όγκου όσο και από το πρωτόκολλο εξέτασης. Η ακρίβεια της μεθόδου περιορίζεται στην κίρρωση λόγω των διαφοροποιήσεων της αρχιτεκτονικής του ήπατος, της παρουσίας πολλαπλών αναγεννητικών όζων και των αιμοδυναμικών διαταραχών ιδιαίτερα όσον αφορά στην πυλαία κυκλοφορία, με αποτέλεσμα την παρουσία ψευδών αλλοιώσεων. Συνολικά από τελευταίες δημοσιευμένες μετααναλύσεις προκύπτει μία μικρή υπεροχή της μαγνητικής τομογραφίας όσον αφορά στην ευαισθησία της μεθόδου στην ανίχνευση του ΗΚΚ σε σχέση με το υπερηχογράφημα και την υπολογιστική τομογραφία ιδίως σε κιρρωτικούς ασθενείς. Ιδιαίτερα στα μικρά νεοπλάσματα η μαγνητική τομογραφία παρουσιάζει σαφώς μεγαλύτερη ειδικότητα και θετική προγνωστική αξία από τις άλλες μεθόδους. Η χρήση ενισχυτών ηχογένειας (σκιαγραφικών) στην υπερηχογραφία βελτίωσε ιδιαίτερα την απεικόνιση των εστιακών αλλοιώσεων του ήπατος. Η μέθοδος, έτσι γίνεται ιδιαίτερα ακριβής στον χαρακτηρισμό καλοήθων και κακοήθων ηπατικών εστιών με αναφερόμενη στη βιβλιογραφία ευαισθησία και ειδικότητα της μεθόδου στις κακοήθεις εστιακές βλάβες 95% και 98% αντίστοιχα. Τα ευρήματα του υπερηχογραφήματος με χρήση ενισχυτών ηχογένειας, είναι παρόμοια με τα ευρήματα της υπολογιστικής και της μαγνητικής τομογραφίας, ιδιαίτερα όσον αφορά στην αρτηριακή φάση σκιαγράφησης. Οι διαφορές που προκύπτουν στην πυλαία φάση ενδεχομένως οφείλονται στην τάση των σκιαγραφικών που χρησιμοποιούνται στην υπολογιστική και τη μαγνητική τομογραφία να διαχέονται στον διάμεσο ιστό. Συγκρινόμενες, η υπερηχογραφία με χρήση ενισχυτών ηχογένειας και η ελικοειδής υπολογιστική τομογραφία με ιωδιούχα σκιαγραφικά, δεν παρουσιάζουν στατιστικά σημαντικά διαφορές όσον αφορά στην ευαισθησία, την ειδικότητα και τη διαγνωστική ακρίβεια τόσο στις καλοήθεις όσο και στις κακοήθεις εστιακές ηπατικές αλλοιώσεις. Γενικότερα με τη χρήση των σκιαγραφικών στην υπερηχογραφία, μειώνεται σημαντικά ο αριθμός των ασαφών διαγνώσεων, βελτιώνεται κατά πολύ η ευαισθησία και η ειδικότητα της μεθόδου, ενώ σε πολλές περιπτώσεις αποφεύγεται η παραπομπή του ασθενούς σε άλλες πολυπλοκότερες διαγνωστικές ή επεμβατικές εξετάσεις. Ο Εγκέφαλος Η Οργάνωση του Νευρικού Ιστού Ο νευρικός ιστός,ο ιστός που απαρτίζει το πολύπλοκο όργανο του εγκεφάλου, αποτελείται από τα νευρικά κύτταρα,ή αλλιώς νευρώνες, τις αποφυάδες των νευρικών κυττάρων και τα νευρογλοιακά κύτταρα. Τη λειτουργική αποστολή της μεταβίβασης της νευρικής ώσης αναλαμβάνουν οι νευρώνες με τις αποφυάδες τους, ενώ τη στήριξη, θρέψη και μόνωση τους αναλαμβάνουν τα κύτταρα της νευρογλοίας. Το νευρικό κύτταρο ή νευρώνας απαρτίζεται από το κυτταρικό σώμα, από μία ή πολυάριθμες αποφυάδες,που ονομάζονται δενδρίτες, και από μία επιμήκη αποφυάδα,που ονομάζεται άξονας. Το κυτταρικό σώμα τρέφει τις αποφυάδες, οπότε αυτές εκφυλίζονται,όταν αποκοπούν από το σώμα.ο άξονας μεταβιβάζει το σήμα που παράγεται στο αρχικό του τμήμα από το κύτταρο προς ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 18

20 την περιφέρεια, ενώ ο δενδρίτης μεταβιβάζει τις διεγέρσεις από την περιφέρεια προς το νευρικό κύτταρο. Επιπλέον, ως σύναψη χαρακτηρίζεται η θέση στην οποία δύο γειτονικοί νευρώνες συμπλησιάζουν δημιουργώντας μία λειτουργική διανευρωνική επικοινωνία. Αυτή είναι αξονοδενδριτική, αξονοσωματική ή αξονοαξονική αναλόγως με τα τμήματα του νευρώνα που συμπλησιάζουν και τα οποία είναι το προσυναπτικό και το μετασυναπτικό,ενώ μεταξύ τους βρίσκεται και η συναπτική σχισμή. Σχήμα 1-1 : Η συναπτική σχισμή. Τα είδη των συνάψεων είναι δύο,οι χημικές και οι ηλεκτρικές συνάψεις. Οι πρώτες που αφορούν την πλειοψηφία εξαρτώνται από μία χημική ουσία,έναν νευροδιαβιβαστή, ο οποίος παράγεται στο προσυναπτικό τμήμα, διατρέχει την συναπτική σχισμή και προσκολλάται σε ένα μόριο του μετασυναπτικού τμήματος. Ο ρόλος τους είναι είτε διεγερτικός, είτε ανασταλτικός. Αντίθετα, οι ηλεκτρικές συνάψεις αποτελούν χασματικές συνδέσεις μεταξύ δύο νευρώνων και μεταβιβάζουν ταχέως το ερέθισμα συμβάλλοντας στον συντονισμό μιας ομάδας νευρώνων της ίδιας λειτουργικότητας. Τα νευρογλοιακά κύτταρα, από την άλλη, δεν διεγείρονται,αλλά παρεμβαλλόμενα μεταξύ των νευρώνων αποτελούν το ερειστικό υπόστρωμα. Τα νευρογλοιακά κύτταρα είναι τα αστροκύτταρα, τα ολιγοδενδροκύτταρα, τα μικρογλοιακά και τα επενδυματικά. Για τα ολιγοδενδροκύτταρα αξίζει να αναφερθεί ότι σχηματίζουν το έλυτρο της μυελίνης των νευρικών ινών του ΚΝΣ. Η µυελίνη δρα ως φυσικό διηλεκτρικό, µε σκοπό ο νευρώνας να άγει τα ηλεκτρικά σήµαταερεθίσµατα. Τα τμήματα του άξονα που βρίσκονται μεταξύ των κυττάρων της μυελίνης και δεν καλύπτονται από αυτήν ονομάζονται κόμβοι Ranvier. Βέβαια,δεν είναι όλοι οι νευράξονες εμμύελοι,αλλά υπάρχουν άφθονοι αμύελοι που πορεύονται μεταξύ των νευρώνων και της νευρογλοίας. Βασική Ανατομία Ο εγκέφαλος και ο νωτιαίος μυελός απαρτίζουν το Κεντρικό Νευρικό Σύστημα του ανθρώπινου οργανισμού,το οποίο συνεργαζόμενο με το Περιφερικό ολοκληρώνουν την νευρική λειτουργία. Ο εγκέφαλος ευρισκόμενος εντός της κρανιακής κοιλότητας λαμβάνει το σχήμα της και τις διαστάσεις της, προστατεύεται από την οστέινη σύστασή της και διαχωρίζεται από αυτήν από τρία περιβλήματα, τις μήνιγγες, οι οποίες από μέσα προς τα έξω είναι η σκληρή, η αραχνοειδής και η χοριοειδής μήνιγγα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 19

21 Η σκληρή μήνιγγα και,συγκεκριμένα, το έξω πέταλό της σχηματίζει το έσω περιόστεο των οστών του κρανίου και περιέχει τα μηνιγγικά αγγεία, ενώ το έσω πέταλο σχηματίζει προσεκβολές μεταξύ των διάφορων μερών του εγκεφάλου. Οι προσεκβολές αυτές είναι το δρέπανο του εγκεφάλου, το σκηνίδιο και το δρέπανο της παρεγκεφαλίδας και το διάφραγμα της υπόφυσης. Επιπλέον, ο χώρος μεταξύ της σκληρής και της αραχνοειδούς μήνιγγας ονομάζεται υποσκληρίδιος, ενώ ο χώρος μεταξύ αραχνοειδούς και χοριοειδούς μήνιγγας ονομάζεται υπαραχνοειδής. Σχήμα 1-2 Κεντρικό και Περιφερικό Νευρικό Σύστημα. Τα μέρη του Εγκεφάλου Στην κλινική ανατομική, ο εγκέφαλος συνήθως διαιρείται στα εγκεφαλικά ημισφαίρια, στην παρεγκεφαλίδα και στο εγκεφαλικό στέλεχος. Το τελευταίο διαιρείται με τη σειρά του στους θαλάμους, το μέσο εγκέφαλο, τη γέφυρα και τον προμήκη μυελό και συνδέεται βρεγματικά με τα ημισφαίρια,ουραία με τον νωτιαίο μυελό και οπίσθια με την παρεγκεφαλίδα. Κάθε ημισφαίριο φέρει τρεις πόλους, τον μετωπιαίο, τον ινιακό και τον κροταφικό,ενώ αποτελείται από του ομώνυμους λοβούς και επιπλέον από τον βρεγματικό και τον κεντρικό λοβό(σχήμα 1-3). Η επιφάνεια των ημισφαιρίων εμφανίζει έλικες και καταδύσεις που ονομάζονται αύλακες. Η κεντρική αύλακα χωρίζει το μετωπιαίο από το βρεγματικό λοβό.οι υπόλοιπες αύλακες και έλικες, επίσης, λαμβάνουν τοπογραφικές ονομασίες.κάθε λοβός φέρει χαρακτηριστικά μορφώματα και εξυπηρετεί συγκεκριμένη λειτουργική αποστολή, καθώς περιέχει εξειδικευμένα κέντρα ελέχγου. Σχήμα 1-3 Δομή του εγκεφάλου,ο μετωπιαίος λοβός απεικονίζεται κόκκινος, ο βρεγματικός κίτρινος, ο κροταφικός πράσινος,ο ινιακός μπλε,το στέλεχος μοβ και η παρεγκεφαλίδα κατώτερα του κροταφικού και ινιακού λοβού. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 20

22 Φαιά και Λευκή Ουσία Τα εγκεφαλικά ημισφαίρια αποτελούνται από μία εξωτερική στιβάδα φαιάς ουσίας, τον φλοιό των ημισφαιρίων, ο οποίος συνίσταται από τα σώματα των νευρικών κυττάρων, που περιέχουν τους πυρήνες τους, ενώ η κατώτερη στιβάδα ονομάζεται λευκής ουσία, και περιέχει τις νευρικές αποφυάδες ή νευράξονες. Μέσα στην λευκή ουσία, βρίσκονται ευμεγέθη κέντρα φαιάς ουσίας, που λέγονται βασικά γάγγλια. Μεταξύ των πιο σημαντικών είναι ο αμυγδαλοειδής πυρήνας και το ραβδωτό σώμα. Σύνδεσμοι Τα δυο ημισφαίρια συνδέονται με το μεσολόβιο, μια πυκνή δέσμη νευραξόνων που επιτρέπει τη νευροδιαβίβαση μεταξύ των δυο ημισφαιρίων. Το μεσολόβιο και παρόμοιες δομές με αυτό ονομάζονται σύνδεσμοι και αποτελούνται από τις λεγόμενες συνδεσμικές ίνες, εξυπηρετούν την επικοινωνία μεταξύ των διαφορων περιοχών και είναι ο πρόσθιος σύνδεσμος, ο σύνδεσμος των ιπποκάμπων, το διαφανές διάφραγμα και η ψαλίδα. Κοιλίες Εντός του εγκεφάλου υπάρχει ένα σύστημα κοιλοτήτων, οι οποίες επικοινωνούν μεταξύ τους και με τον περιφερικό υπαραχνοειδή χώρο.περιγράφονται συνολικά τέσσερις κοιλίες: δύο πλάγιες, η τρίτη και η τέταρτη κοιλία. Οι δύο πλάγιες κοιλίες σχήματος κεφαλαίου γράμματος C, επικοινωνούν με την τρίτη κοιλία μέσω των τρημάτων του Monro. Η τρίτη κοιλία συνδέεται με τη σειρά της με την τέταρτη κοιλία μέσω του υδραγωγού του Sylvius. Η τέταρτη κοιλία επικοινωνεί με τον περιφερικό υπαραχνοειδή χώρο μέσω του τρήματος του Magendie και των πλαγίων τρημάτων του Lushka. Το εγκεφαλονωτιαίο υγρό (ΕΝΥ) καταλαμβάνει τον υπαραχνοειδή χώρο και αποτελεί το περιεχόμενο όλων των κοιλιών του εγκεφάλου, των αυλακών και του κεντρικού καναλιού της σπονδυλικής στήλης. Οι λειτουργίες του ΕΝΥ είναι η προστασία του εγκεφάλου και του νωτιαίου μυελού από τραυματισμούς, η ρύθμιση της ενδοκρανιακής πίεσης, η μεταφορά των θρεπτικών ουσιών και η απομάκρυνση των άχρηστων ουσιών. Τέλος, παράγεται κατά 90% από το χοριοειδές πλέγμα, το οποίο βρίσκεται στο τοίχωμα των κοιλιών και κατά 10% από την εγκεφαλική ουσία για να καταλήξει να απορροφηθεί από τα αραχνοειδή σωμάτια, στην κυρτή επιφάνεια του εγκεφάλου. Φραγμοί στο ΚΝΣ O αιματοεγκεφαλικός φραγμός αποτελείται από το τοίχωμα των τριχοειδών αγγείων,που είναι ενδοθήλιο συνεχούς τύπου με ισχυρούς ενωτικούς δεσμούς, τον βασικό υμένα και τις αποφυάδες των αστεροειδών νευρογλοιακών κυττάρων.προφυλλάσεται, έτσι, από βλαπτικές ουσίες που βρίσκονται στην κυκλοφορία του αίματος.βέβαια, σε μερικές θέσεις πιστεύεται πως απουσιάζει,καθώς αυτές αποτελούνται από ενδοθήλιο θυριδωτού τύπου. Από τον φραγμό αυτό, διέρχονται λιποδιαλυτές ουσίες,γλυκόζη,αμινοξέα,ηλεκτρολύτες,όχι,όμως ουσίες με μεγάλο μοριακό βάρος. Η παρουσία αυτού του φραγμού είναι σημαντική στην θεραπευτική προσπέλαση, καθώς αυτή θα πρέπει να περιλαμβάνει φάρμακα που τον διαπερνούν. Επιπρόσθετα, οι κακώσεις, οι νεοπλασίες και οι φλεγμονές του εγκεφάλου προσβάλλουν την ακεραιότητά του καταστρέφοντας τα ενδοθηλιακά κύτταρα. Υφίσταται, επιπλέον, ένας παρόμοιος φραγμός που εμποδίζει την δίοδο μεγαλομοριακών ενώσεων στο ΚΝΣ, ο φραγμός αίματος εγκεφαλονωτιαίου υγρού,ο οποίος αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία :α)τα θυριδωτά ενδοθηλιακά κύτταρα, β)το συνεχή βασικό υμένα των ενδοθηλιακών κυττάρων,γ) τα διάσπαρτα ωχρά κύτταρα με τις αποφυάδες τους,δ)το βασικό υμένα των επιθηλιακών κυττάρων της χοριοειδούς μήνιγγας,ε)τα επιθηλιακά κύτταρα της χοριοειδούς μήνιγγας που φέρουν ενωτικούς δεσμούς. Ο φραγμός αυτός βρίσκεται στα χοριοειδή πλέγματα των κοιλιών του εγκεφάλου. Μεταξύ του ΕΝΥ και του μεσοκυττάριου υγρού του ΚΝΣ δεν δημιουργείται φραγμός,καθώς στις δομές στα όρια εγκεφάλου και ΕΝΥ στην εξωτερική επιφάνεια του εγκεφάλου δεν υφίστανται ενωτικοί δεσμοί, ενώ στην εντός των κοιλιών επιφάνεια του εγκεφάλου υφίστανται μόνο κατά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 21

23 θέσεις ενωτικοί δεσμοί,που δεν επαρκούν για την παρεμπόδιση της διόδου μεγαλομοριακών ουσιών. Για την ανίχνευση διάσπασης του αιματοεγκεφαλικού φραγμού στο οπλοστάσιο της μαγνητικής τομογραφίας είναι η ακολουθία Τ1 με σκιαγραφικό. Αιματική Παροχή και Φλεβική Αποχέτευση Η αιμάτωση του εγκεφάλου επιτυγχάνεται μέσω τεσσάρων μεγάλων αρτηριών, των δύο έσω καρωτίδων, η καθεμία από τις οποίες χορηγεί την οπίσθια αναστομωτική αρτηρία, την πρόσθια χοριοειδή αρτηρία, την πρόσθια και μέση εγκεφαλική αρτηρία, και των δύο σπονδυλικών, οι οποίες συμβάλλουν μεταξύ τους σχηματίζοντας την βασική αρτηρία. Η τελευταία διχάζεται στις δύο οπίσθιες εγκεφαλικές αρτηρίες.τόσο οι σπονδυλικές, όσο και η βασική αρτηρία χορηγούν πολλαπλούς κλάδους, εξασφαλίζοντας την επαρκή οξυγόνωση του εγκεφάλου. Οι φλέβες του εγκεφάλου δεν ακολουθούν την πορεία των αρτηριών, εμφανίζουν πολλές αναστομώσεις και διακρίνονται στις επιπολής και τις εν τω βάθει φλεβες. Οι φλεβώδεις κόλποι της σκληράς μήνιγγας αποτελούν σωληνοειδείς σχηματισμούς αποχεύτεσης του αίματος και διακρίνονται σε αυτούς του θόλου του κρανίου και σε αυτούς της βάσης του κρανίου. Ατροφία του Εγκεφάλου και Ογκομέτρηση Η ογκομέτρηση της φαιάς και λευκής ουσίας υπολογίζει το πάχος διαφορετικών περιοχών,όπως το οπίσθιο τμήμα του ιππόκαμπου (υπεύθυνος για τη μετάβαση πληροφοριών από την πρόσφατη στην απώτερη μνήμη,συμβάλλει στον προσανατολισμό και στη χωρική καθοδήγηση) και βρίσκει εφαρμογή σε ποικίλες καταστάσεις, όπως νευροεκφυλιστικές παθήσεις, εγκεφαλικά επεισόδια, ψυχοπάθειες, τραυματικές εγκεφαλικές βλάβες, κλπ.). Αν και τα περισσότερα νευροπαθολογικά ελλείμματα είναι πιθανότερο να αφορούν την κυτταρική λειτουργία, επικοινωνία και συνδεσιμότητα παρά να εκδηλώνονται με εξεσημασμένη απώλεια εγκεφαλικού όγκου, οι συγκεκριμένες παθήσεις, που οδηγούν στην απώλεια όγκου ευεργετούνται από τις σύγχρονες νευροαπεικονιστικές εφαρμογές της μαγνητικής τομογραφίας. Οι πρώτες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στον τομέα της νευρολογίας και της ψυχιατρικής σχετικά με την απεικόνιση των δομικών εγκεφαλικών ανωμαλιών αφορούσαν τον όγκο και την περιοχή των πλάγιων κοιλιών και την διαπλάτυνση των εγκεφαλικών αυλάκων,δηλαδή των χώρων που περιείχαν ΕΝΥ (Weinberger et al. 1979). Μέθοδοι ογκομέτρησης Σχήμα 1-4 Η ατροφία του εγκεφάλου στην νόσο Alzheimer. Η ογκομέτρηση πραγματοποιείται : Α) με κατάτμηση της περιοχής υπό εξέταση από τις ανατομικές εικόνες, αυτόματα ή μη και έπειτα μέτρηση του όγκου της περιοχής αυτής πραγματοποιώντας εύρεση του αριθμού των εικονοστοιχείων που σχηματίζουν την περιοχή υπό εξέταση και τον πολλαπλασιασμό του με το μέγεθος του εικονοστοιχείου. Β)με κατάτμηση της ανατομικής εικόνας σε λευκή και φαιά ουσία και εγκεφαλονωτιαίο υγρό και έπειτα στην μέτρηση του όγκου της φαιάς ουσίας. Γ)με μετρήσεις είτε του όγκου της περιοχής υπό εξέταση, είτε της φαιάς ουσίας κατά την εμφάνιση και την πορεία της νόσου ανιχνεύοντας την μεταβολή της ανατομίας του εγκεφάλου και εφράζοντάς την με την χρήση δεικτών ατροφίας και δεικτών ασυμμετρίας. Οι δείκτες ατροφίας αφορούν είτε όλο τον εγκέφαλο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 22

24 είτε τμήματά του και οι δείκτες ασυμμετρίας εκφράζουν τη διαφορά της ανατομίας μιας περιοχής μεταξύ του αριστερού και του δεξιού ημισφαιρίου. Για την διάγνωση της νόσου Alzheimer χρησιμοποιείται η κλίμακα Scheltens,αποτελεί έμμεσο δείκτη της ατροφίας του ιπποκάμπου. Ενδείξεις Χρήσης Ογκομέτρησης Στην νόσο Alzheimer μετράται η ατροφία του μέσου κροταφικού λοβού (ΜΤΑ) με οπτικές κλίμακες, όπως η κλίμακα Scheltens,με γραμμικές μετρήσεις δομών του κροταφικού λοβού, καθώς και με μέτρηση του όγκου του ιπποκάμπου. Στην κατάθλιψη της μεγάλης ηλικίας,οι ευρείες κοιλίες και η διαπλάτυνση των αυλακών ερμηνεύθηκαν ως αποτέλεσμα της ατροφίας και απώλειας εγκεφαλικού ιστού. Σε καταθλιπτικούς ασθενείς αναφέρονται μικρότεροι όγκοι του ιππόκαμπου και της αμυγδαλής σε σχέση με υγιείς μάρτυρες.ο ιππόκαμπος και ο αμυγδαλοειδής πυρήνας φαίνεται να επηρεάζουν σημαντικά την διαμόρφωση της διάθεσης και σε βλάβη τους αποδίδονται συναισθηματικές διαταραχές. Χρόνιοι χρήστες αλκοόλ,κάνναβης και καπνού εμφανίζουν αλλοιώσεις του εγκεφαλικού παρεγχύματος που είναι ορατές στην μαγνητική τομογραφία. Με την βοήθεια της ογκομέτρησης εκτιμάται η έκταση της αλλοίωσης και ο βαθμός αντιστεψιμότητας των βλαβών. Τα ευρήματα σε χρήστες αλκοόλ είναι η γενικευμένη και παρεγκεφαλιδική ατροφία, οι αλλοιώσεις του μεσολοβίου και υποθαλαμικές αλλαγές σε σύνδρομο Wernicke Korsakoff,σε χρήστες καννάβης και XTC η ατροφία του ιπποκάμπου και της αμυγδαλής και,τέλος, σε καπνιστές οι μη ειδικές αλλοιώσεις στην λευκή ουσία και η μείωση της πυκνότητας της φαιάς ουσίας. Ατροφία μπορεί να παρουσιαστεί και ως όψιμη επιπλοκή χημειοθεραπείας και ακτινοθεραπείας σε ογκοπαθείς ασθενείς. Πιο αναλυτικά,η απεικονιστική διερεύνηση της εστιακής και γενικευμένης ατροφίας θα γίνει με εγκάρσια FLAIR. Στεφανιαίες 3D T1, με πολυδιάστατες ανασυνθέσεις λαμβάνονται για την εκτίμηση του ιπποκάμπου. Στην νόσο Wilson,η οποία είναι διαταραχή του μεταβολισμού των μετάλλων και επακόλουθη εναπόθεσή του στο εγκεφαλικό παρέγχυμα,παρατηρούνται περιοχές υψηλής έντασης σήματος συνήθως στα βασικά γάγγλια και στην λευκή ουσία και γενικευμένη εγκεφαλική, μεσεγκεφαλική και παρεκεφαλιδική ατροφία μεγέθους αυξανόμενου ανάλογα με την σοβαρότητα της νόσου. Η μαγνητική τομογραφία προτιμάται στον έλεγχο του υδροκέφαλου φυσιολογικής πίεσης και συμβάλλει στην διαφορική διάγνωσή του από την άνοια και την νόσο του Πάρκινσον. Τα κυριότερα ευρήματα είναι η διεύρυνση των κοιλιών, χωρίς να συνυπάρχει διεύρυνσης των αυλάκων ή φλοιώδης ατροφία. Οι Τεχνικές στην Κλινική Πράξη εν τάχει Η μη επεμβατική μορφολογική απεικόνιση των ενδοκράνιων αγγείων και του νωτιαίου μυελού πραγματοποιείται με την μαγνητική αγγειογραφία εγκεφάλου και την μαγνητική μυελογραφία, αντίστοιχα. Η μορφομετρική απεικόνιση στοιχειωδών όγκων (voxel based morphometry) παραδίδει εικόνες πολύ υψηλής ευκρίνειας με την βοήθεια μεθόδων στατιστικής παραμετρικής χαρτογράφησης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 23

25 Η απεικόνιση διάχυσης (diffusionweighted imaging) βασίζεται στην τυχαία κίνηση των μορίων του νερού, χρησιμοποιείται σε κυτταροβριθείς δομές, όπως οι όγκοι, τα αιματώματα ή τα εμπυήματα, και σε περιοχές με κυτταρικό οίδημα,όπως στο ισχαιμικό έμφρακτο. Πρόσφατα αναπτύχθηκαν: o οι τεχνικές της απεικόνισης του τανυστή διάχυσης (Diffusion Tensor Imaging) και o η μαγνητική δεσμιδογραφία (ΜR tractography) επιτρέποντας την απεικόνιση των νευρωνικών οδών σε τρεις διαστάσεις, την αξιολόγηση της μυελίνωσης του εγκεφάλου, την ανάδειξη αναπτυξιακών ανωμαλιών, και των νευροαξονικών βλαβών που προκαλούν οι όγκοι και οι απομυελινωτικές παθήσεις. Η δυνατότητα της ελεύθερης διάχυσης των μορίων νερού ποσοτικο- ποιείται και με αυτόν τον τρόπο παρακολουθείται η πορεία της νόσου. Η απεικόνιση της μικροκυκλοφορίας του αίματος (perfusion imaging) στα τριχοειδή αγγεία, είτε με τη χρήση μεθόδων μαγνητικής επιδεκτικότητας (magnetic susceptibility) και τη χορήγηση σκιαγραφικής ουσίας, είτε με τη μη επεμβατική επισήμανση του ρέοντος αίματος (arterial spin labeling), επιτρέπει την σχετική ή/και απόλυτη ποσοτικοποίηση της τοπικής ροής και του τοπικού όγκου αίματος, καθώς και της αγγειακής διαπερατότητας, βοηθώντας έτσι στη διάγνωση και αντιμετώπιση πολλών παθήσεων. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η αξιολόγηση της ύπαρξης περιεστιακού βιώσιμου εγκεφαλικού ιστού στην περίπτωση ισχαιμικού επεισοδίου (που καθορίζει την αναγκαιότητα χορήγησης θρομβολυτικής αγωγής για διάνοιξη του θρομβωμένου αγγείου), και ο εντοπισμός αγγειοβριθών εστιών για βιοψία επί υποψίας κακοήθειας. H λειτουργική απεικόνιση με Μαγνητική Τομογραφία (functional MRI) ανιχνεύει περιοχές του εγκεφαλικού φλοιού με νευρωνική δραστηριότητα βασιζόμενη στην αιμοδυναμική αντίδραση που προκαλείται κατά την εκτέλεση των εξειδικευμένων τους λειτουργιών όπως κίνηση, ομιλία και όραση, αλλά και μνήμη, προσοχή και αντίληψη. Η μέθοδος παρέχει πολύτιμες πληροφορίες προεγχειρητικά για το βέλτιστο σχεδιασμό της χειρουργικής επέμβασης,έτσι,ώστε να αποφευχθεί η πιθανότητα τραυματισμού του φλοιού και να μειωθεί δραματικά ο χρόνος επέμβασης. Επιπλέον, χρησιμοποιείται για τη χαρτογράφηση των πιθανών λειτουργικών βλαβών συνεπεία κρανιοεγκεφαλικής κάκωσης, εγκεφαλικού επεισοδίου, νευροεκφυλιστικών παθήσεων, κ.α.. Η μέθοδος αποτελεί βασικό εργαλείο στη διερεύνηση της λειτουργίας και επικοινωνίας μεταξύ διαφορετικών δομών του φυσιολογικού εγκεφάλου. Η μαγνητική φασματοσκοπία (MR Spectroscopy) πυρήνων υδρογόνου παρέχει ποσοτική πληροφορία σχετικά με τη χημική σύσταση του φυσιολογικού εγκεφαλικού παρεγχύματος και εστιακών ή διάχυτων βλαβών μέσω της σχετικής ή/και ποσοτικής εκτίμησης της συγκέντρωσης διαφόρων μεταβολιτών. Η μέθοδος της απεικόνισης χημικής μετατόπισης (chemical shift imaging) εξασφαλίζει τη διδιάστατη ή τριδιάστατη τοπογράφηση των ανιχνεύσιμων μεταβολιτών. Οι φασματοσκοπικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται στη διάγνωση και παρακολούθηση μεταβολικών νόσων καθώς και ψυχιατρικών και εκφυλιστικών παθήσεων του εγκεφάλου. Για παράδειγμα, καταλυτική είναι η χρήση της μαγνητικής φασματοσκοπίας στη διαφοροδιάγνωση μεταξύ χρόνιας κατάθλιψης, που είναι θεραπεύσιμη, και νόσου Alzheimer. Οι ανιχνεύσιμες μεταβολικές αλλαγές πολλές φορές προηγούνται των ανιχνεύσιμων ανατομικών μεταβολών και, άρα, συνεισφέρουν σημαντικά στην έγκαιρη διάγνωση.η μαγνητική φασματοσκοπία έχει επίσης κυρίαρχο ρόλο στη διάγνωση,εκτίμηση του βαθμού κακοήθειας και αξιολόγηση τουθεραπευτικού αποτελέσματος σε περιπτώσεις όγκων του κεντρικού νευρικού συστήματος. Σήμερα, ο μαγνητικός τομογράφος απεικονίζει εικόνες υψηλής χωρικής διακριτικής και δύναται να μετρήσει και να τοπογραφήσει φυσικοχημικές παραμέτρους και βιοδείκτες στα πλαίσια της παρακολούθησης νόσων του ΚΝΣ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 24

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΑΤΟΜΙΑΣ,ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ,ΠΑΘΟΛΟΓΙΑΣ ΚΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΗΠΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΓΚΕΦΑΛΟΥ Σελίδα 25

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Εισαγωγή Στις μέρες μας,είναι εμφανές στον κάθε άνθρωπο ο οποίος θα βρεθεί σε κάποιο νοσοκομειακό περιβάλλον ότι η εικόνα παίζει κεντρικό ρόλο στην περίθαλψη της υγείας. Όλοι μας έχουμε προσωπική εμπειρία ή γνωρίζουμε κάποιον ο οποίος έχει εξεταστεί με απεικονιστικό μηχάνημα,όπως αξονικό τομογράφο,μαγνητικό τομογράφο,υπερηχογράφο ή και απλή ακτινογραφία.επιπλέον,οι εικόνες παίζουν σημαντικό ρόλο στην επικοινωνία μεταξύ των επιστημόνων και την καλύτερη κατανόηση μεταξύ ιατρού και ασθενή και φυσικά στην ανάπτυξη της έρευνας. Μάλιστα,σε συνδυασμό με την αλματώδη ανάπτυξη σε άλλους τομείς της τεχνολογίας, η πρόοδος στον τομέα της ιατρικής απεικόνισης και ιδιαίτερα ό,τι αφορά την διάγνωση μπορεί να γίνει εμφανής από τη δυνατότητα παραγωγής και χρήσης πολύ εξελιγμένων εικόνων που δεν απεικονίζουν απλά την δομή του σώματος, αλλά δίνουν πληροφορίες και για τη λειτουργία του. Παρά το γεγονός οτι η ιατρική εικόνα χρησιμοποιείται από πληθώρα διαφορετικών εφαρμογών,η ψηφιακή μορφή της εικόνας είναι αυτή που έχει πλέον κυριαρχήσει.οι ιατρικές εικόνες πλέον είτε παράγονται απευθείας σε ψηφιακή μορφή είτε μετατρέπονται σε αυτήν.η οποία, λίγο πολύ είναι παρόμοια για όλες τις ιατρικές εφαρμογές γεγονός που καθιστα την ιατρική ψηφιακή εικόνα ικάνη να επιδεχτεί όλες τις μεθοδολογίες επεξεργασίας εικόνας για ενίσχυση,ανάλυση,παρουσίαση κι αποθήκευση.όπως είναι κατανοητό σε μια τόσο μεγάλη αγορά όσο αυτή των ιατρικών απεικονιστικών μηχανηματων είναι εύλογο να υπάρχουν διαφορετικές προσεγγίσεις και παρουσιάσεις των εικόνων και των πληροφοριών τους ως αρχείων,ένα εναίο πρότυπο εικόνας κοινό για όλα τα μηχανήματα φαντάζει ως ιδανική λύση αλλά ειναι πολύ οι λόγοι που δεν έχει επιτευχθεί ακόμη κάτι τέτοιο.θα δούμε ποιες προσπάθειες έχουν γίνει σε αυτήν την κατεύθυνση και ποια η κατάσταση στις μέρες μας. Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει εισαγωγή στην έννοια της εικόνας,της ψηφιακής εικόνας,ανάλυση των χαρακτηριστικών,αναφορά στην επεξεργασία,τα γεωμετρικά στοιχεία,την προσέγγιση της εικόνας ως σήμα έννοια που θα μας συνδέσει με το επόμενο κεφάλαιο,για την μορφοποίηση της εικόνας,την διαχέιρηση της εικόνας και τέλος για τα πιθανά σφάλματα/λάθη που μπορούν να παρουσιάστούν στην εικόνα.όλα τα παραπάνω στοιχεία έχουν κοινή αναφορά την εικόνα απο τον μαγνητικό τομογράφο, αναφέρονται στην εικόνα από μαγνητικό τομογράφο και παρουσιάζονται πρωταρχικά στην εργασία λόγω του ότι η εικόνα είναι το πιο κοντινό επίπεδο ή αλλιως το μέσο επικοινωνίας με την επιστήμη της μαγνητικής τομογραφίας. Η Εικόνα Ο φωτισμός ενός αντικειμένου από μια ακτινοβολούσα πηγή παράγει μια αναπαράσταση του αντικειμένου, την εικόνα. Ο σχηματισμός της εικόνας διέπεται από φυσικούς νόμους που διαφέρουν ανάλογα το είδος της φωτεινής πηγής. Αυτή μπορεί να είναι πηγή λευκού φωτός, πηγή Laser,πηγή ακτινοβολίας Χ, πηγή υπέρυθρης ακτινοβολίας, ακουστική πηγή, πηγή υπερήχων ή ακόμα ηλεκτρομαγνητικοί παλμοί μιας συγκεκριμένης συχνότητας. Για να καταγραφεί αυτή η εικόνα είναι απαραίτητο, εκτός από την φωτεινή πηγή και το αντικείμενο,ένα σύστημα καταγραφής, αυτός ο μηχανισμός καταγραφής μπορεί να είναι βιολογικός (π.χ. μάτι), φωτοχημικός (π.χ. φιλμ),ή φωτοηλεκτρικός (π.χ. κάμερα τηλεόρασης ). Φως και Στοιχεία ανθρώπινης όρασης Η ακτινοβολία με την οποία ο μέσος άνθρωπος είναι περισσότερο εξικοιωμένος αφού έρχεται σε επαφή μαζί της συνεχώς, είναι αυτή του ορατού φωτός Το ορατό φως είναι ουσιαστικά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 26

28 ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκη κύματος μεταξύ 400 και 700 nm(νανόμετρα). Κάθε μήκος κύματος αντιστοιχεί σε ένα διαφορετικό χρώμα. Από την άλλη πλευρά, ένα συγκεκριμένο χρώμα δεν αντιστοιχεί απαραίτητα σε ένα μόνο μήκος κύματος. Το πορτοκαλί φως, για παράδειγμα, είναι ένας συνδυασμός κόκκινου και κίτρινου φωτός. Σε γενικές γραμμές, ένα χρώμα χαρακτηρίζεται από ένα φάσμα διαφορετικών μηκών κύματος. [11] Το ανθρώπινο μάτι διαθέτει ειδικά κύτταρα, τα κωνία και τα ραβδία, τα οποία ονομάζονται φωτοϋποδοχείς, εντοπίζονται στον αμφιβληστροειδή χιτώνα του ματιού και τα μεν κωνία ευθύνονται για την έγχρωμη όραση, τα δε ραβδία για την αντίληψη της έντασης του φωτός και συνεπώς μόνο με αυτά θα βλέπαμε σε κλίμακα του γκρι.ο ανθρώπινος αμφιβληστροειδής χιτώνας περιέχει τρεις τύπους κωνικών κυττάρων που διακρίνονται ανάλογα με την περιοχή ευαισθησίας τους στο ορατό φάσμα ακτινοβολίας. Τα S-κωνία είναι ευαίσθητα στην ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος (μπλε) με μέγιστη ευαισθησία στα 445nm,τα Μ-κωνία είναι ευαίσθητα στα μεσαία μήκη κύματος (πράσινο) με μέγιστη ευαισθησία στα 540nm, και,τέλος,τα L-κωνία είναι ευαίσθητα στα μεγάλα μήκη (κόκκινο) με μέγιστο στα 565nm. Επειδή υπάρχουν τρεις τύποι κωνικών φωτουποδοχέων, τρεις αριθμοί είναι αναγκαίοι και επαρκής για να περιγράφει οποιαδήποτε αισθητό χρώμα. Ως εκ τούτου, είναι δυνατόν να παραχθεί ένα οποιοδήποτε χρώμα με υπέρθεση κατάλληλων ποσοτήτων από τα τρία βασικά χρώματα, το καθένα με την δική του συγκεκριμένη φασματική καμπύλη.έτσι,σε ένα "αθροιστικό" σύστημα αναπαραγωγής χρώματος σε ένα σύστημα δηλαδή που χρησιμοποιεί "αθροιστικό" χρωματικό μοντέλο ή χώρο (καλύτερα), όπως ένα έγχρωμο μόνιτορ, αυτά τα τρία βασικά είναι το κόκκινο(r),το πράσινο(g) και μπλε(b) φως. Το κάθε χρώμα στη συνέχεια καθορίζεται από τις ποσότητες κόκκινου, πράσινου και μπλε. Ίσες ποσότητες κόκκινου, πράσινου και μπλε δίνουν λευκό (βλέπε σχήμα 1.1 (α)). Ιδανικά το λευκό φως έχει επίπεδο φάσμα στο οποίο όλα τα μήκη κύματος είναι παρόν. Στην πράξη,οι πηγές λευκού φωτός προσεγγίζουν αυτήν την κατάσταση.κατά ανάλογο τρόπο, σε ένα "αφαιρετικό" σύστημα αναπαραγωγής χρωμάτων, όπως η εκτύπωση ή η ζωγραφική, τα τρία βασικά χρώματα είναι συνήθως το κυανό(γαλάζιο), το ματζέντα(μωβ) και το κίτρινο. Κυανό είναι το χρώμα ενός υλικού, που εκτιθέμενο σε λευκό φως, απορροφά το κόκκινο αλλά αντανακλά πράσινο και μπλε, και μπορούν έτσι να ληφθεί με προσθετική ανάμιξη ίσων ποσοτήτων του πράσινου και του μπλε χρώματος/φωτός. Παρομοίως, μωβ είναι το αποτέλεσμα της απορρόφησης του πράσινου φωτός και αποτελείται από ίσες ποσότητες από κόκκινο και μπλε φως, και το κίτρινο είναι το αποτέλεσμα της απορρόφησης του μπλε και αποτελείται από ίσες ποσότητες από κόκκινο και πράσινο φως. Ως εκ τούτου, "αφαιρετική" ανάμιξη του κυανού και ματζέντα δίνει μπλε, αφαιρετική ανάμειξη κυανού και κίτρινου δίνει το πράσινο, και αφαιρετική ανάμιξη του κίτρινου και του ματζέντα δίνει κόκκινο. Αφαιρετική ανάμειξη του κίτρινου, κυανού, ματζέντα και παράγει μαύρο (χρώμα το οποίο απορροφά όλα τα μήκη κύματος και δεν αντανακλά κανένα) (βλ. Σχήμα 2-1). [17] Σχήμα 2-1 :Μίξη Χρωμάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 27

29 Εδώ πρεπει να σημειώσουμε ότι ίσες αποστάσεις στην φυσική ένταση του χρώματος δεν γίνονται αντιληπτές ως ίσες αποστάσεις στην φωτεινότητα. Τα επίπεδα τηςέντασης θα πρέπει να εκφράζονται λογαριθμικά και όχι γραμμικά,ώστε να επιτυγχάνονται ίσες αποστάσεις στην φωτεινότητα που αντιλαμβανόμαστε. Η έννοια Hue (απόχρωση) αναφέρεται στο κυρίαρχο μήκος κύματος στο φάσμα, και αντιπροσωπεύει τα διαφορετικά χρώματα.ο κορεσμός (saturation) περιγράφει την ποσότητα του λευκού φωτός που ειναι παρόν στο φάσμα. Εάν δεν υπάρχει καθόλου Σχήμα 2-2: Απόχρωση,κορεσμός και φωτεινότητα λευκό φως, ο κορεσμός είναι 100%.Με την έννοια του κορεσμού διακρίνουμε τα χρώματα σε πολύχρωμους(ζωηρούς) τόνους και παστέλ τόνους,από την ίδια απόχρωση. Στον έγχρωμο κώνο του Σχήματος 2-2(πάνω αριστερά), ίσες αποστάσεις μεταξύ των χρωμάτων σε καμία περίπτωση δεν αντιστοιχούν σε ίσες διαφορές ως προς την αντίληψη των χρωμάτων. Η επιτροπή Commission Internationale de l'eclairage (CIE) έχει οριστεί αντιληπτικά πιο ομοιόμορφο χρώμα χώρους, όπως L * u * v* και L * a * b *.Όμως η περαιτερω ενασχόληση με τα χρώματα κι η ανάλυση για τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των διαφορετικών χρωματικών χώρων είναι πέρα από το πεδίοενδιαφέροντος αυτής της διπλωματικής εργασίας. Η Εικόνα κλίμακας του γκρίζου (grayscale) Όπως είδαμε παραπάνω, ενώ το έχγρωμο φως χρειάζεται 3 μεγέθη ή αριθμόυς για να προσδιοριστεί,το άχρωμο (μη έγχρωμο) φως,όπως αυτό που παράγεται από μία ασπρόμαυρη οθόνη,χρειάζεται μόνο ένα μέγεθος,την φωτεινότητα ή gray value.το μη έγχρωμο φως είναι φως το οποίο έχει κορεσμό (saturation) 0% και περιέχει μόνο λευκό φως.λαμβάνοντας υπόψη ένα σύνολο πιθανών επιπέδων του γκρι ή χρώματα και ένα (ορθογώνιο) πλέγμα, μια ψηφιακή εικόνα αποδίδει μια γκρίζα αξία (δηλαδή, φωτεινότητα) ή ένα χρώμα (π.χ., χρώμα, κορεσμός και φωτεινότητα για εγχρωμη εικόνα ) σε κάθε ένα από τα σημεία του πλέγματος ή εικονοστοιχεία. Σε μία grayscale ψηφιακή εικόνα, τα γκρι επίπεδα της εικόνας χαρακτηρίζονται από ακέραιους αριθμούς. Παρά το γεγονός ότι οι τιμές φωτεινότητας είναι συνεχής στην πραγματική ζωή, σε μια ψηφιακή εικόνα έχουμε μόνο έναν περιορισμένο αριθμό γκρίζων επιπέδων στη διάθεσή μας. Η μετατροπή αναλογικού δείγματος σε δείγμα διακριτών τιμών ονομάζεται κβαντοποίηση. Στην Σχήμα 2-3 φαίνεται η ίδια εικόνα με χρήση δύο διαφορετικών κβαντικοποιήσεων. Όταν χρησιμοποιούνται πάρα πολύ λίγες τιμές του γκρι στην παρουσίαση μιας εικόνας μειώνεται η ευκρίνεια της (φαινόμενο του σκακιού). ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 28

30 Σχήμα 2-1 Εικόνα από αξονική τομογραφία θώρακος με χρήση διαφορετικής κβαντοποίησης 8 bpp στα αριστερά και 4 bpp στα δεξιά,η απώλεια ευκρίνειας είναι εμφανής Μέσω της ψηφιοποιησης η εικόνα μετατρέπεται σε ένα συγκεκριμένο σύνολο διακριτών αποχρώσεων του γκρι. Ποιος όμως είναι ο αριθμός των επιπέδων του γκρι που πρεπει να χρησιμοποιηθουν ώστε να παραχθει μια εικόνα με καλή ευκρίνεια και χωρίς εμφανή κενά.ας υποθέσουμε οτι σε μια εικόνα εμφανίζονται n+1 επίπεδα του γκρι που αντιστοιχούν σε εντάσεις corresponding physical intensities I0, I1,..., In. Όπου I0 η χαμηλότερη ένταση και In η μεγαλύτερη ένταση. Ο λόγος In/I0 ονομάζεται δυναμική περιοχή. Το ανθρώπινο μάτι δεν είναι ικανό να διαχωρίσει /διακρίνει διαδοχικές εντάσεις του γκρι Ij και Ij+1 αν διαφέρουν λιγότερο από 1%(*η ενταση χαρακτηρίζεται από έναν αριθμό),π.χ αν Ij Ij. Σε αυτήν την περίπτωση In 1.01 n I0 και n log1.01(in/i0).για μία δυναμική περιοχή ίση με 100 ο απαιτούμενος αριθμός των επιπέδων του γκρι είναι 463,ενώ για μια δυναμική περιοχή που ισούται με 1000 απαιτουνται 694 διαφορετικά επίπεδα του γκρι,ώστε να η αίσθηση μιας συνεχόμενης/ενιαίας φωτεινότητας.οι περισσότερες ψηφιακές ιατρικές εικόνες στις μέρες μας χρησιμοποιούν 4096(=2 12 ) για τα όποία απαιτούνται 12bpp,κάθε κομματάκι της εικόνας δηλαδή χαρακτηρίζεται από έναν ακέραιο αριθμό ανάμεσα στο 0 και το 4095 το οποίο με την σειρά του αντιστοιχεί σε κάποια απόχρωση του γκρι. Το πρόβλημα που δημιουργείται με την ύπαρξη τόσων πολλών επίπέδων του γκρι σε μια ψηφιακή εικόνα είναι οτι μικρές διαφορές στην ένταση δεν μπορούν να γίνουν αντιληπτές.αυτό το πρόβλημα όμως όπως θα δούμε στην συνέχεια έχει διάφορους τρόπους αντιμετώπισης κι είναι ένα από τα πολλές δυσκολίες που αντιμετωπίζουμε με την επεξεργασία εικόνας.(αυτό το πρόβλημα μπορεί να ξεπεραστεί, για παράδειγμα με την μετατροπή μιας γκρι τιμής ή και πολλών (διάστημα) σε κάποια άλλη με την χρήση ενός κατάλληλου μετασχηματισμόυ, όπως συζητείται παρακατω). [17] Η εναλλάγη ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό είναι πολύ συνηθισμένη διαδικασία στον κόσμο/χώρο της επεξεργασίας σημάτων κι ως προέκταση στην επεξεργασία εικόνας,που δεν ειναι άλλο παρά άνα δυσδιάστατο σήμα από μαθηματική σκοπιά. Έτσι η συνέχεια μιας αναλογικής εικόνας θέλουμε να μετατραπεί πειστικά σε ένα πεπερασμένο αριμο από pixel στο πλέγμα μιας ψηφιακής απεικόνησης.η μαθηματική διαδικασία που ακολουθείται για την επίτευξη αυτής της μετατροπής ονομάζεται δειγματοληψία,βασική έννοια για την οποία θα αναφέρουμε κάποια στοιχεία. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 29

31 Σχήμα 2-4 (αριστερά) Μια ιδιαίτερα κοντινή λήψη μιας εικόνας μαγνητικής τομογραφίας όπου φαίνονται τα στοιχειώδη τετραγωνάκια,εικονοστοιχεία ή pixels που στο σύνολο τους σχηματίζουν την εικόνα. (δεξιά) Η μεγένθυνση της συμβατικής εικόνας ακτινογραφίας δεν εμφανίζει κανενός είδους τετραγωνάκια. Ψηφιακή και αναλογική (ιατρική) εικόνα Το αναλογικό MR σήμα (το σήμα που λαμβάνουμε από το σώμα του ασθενούς έπειτα από «διέγερση» του) περιγράφεται ως συνεχές το οποίο σημαίνει ότι έχει μια τιμή (ηλεκτρική τάση) σε κάθε χρονική στιγμή. Έτσι,αν το μεγενθύνουμε μπορούμε να μετρήσουμε το σήμα κάθε δευτερόλεπτο, ή κάθε χιλιοστό του δευτερολέπτου, ή κάθε msec.οσο μικρό και αν είναι το χρονικό διάστημα, το σήμα έχει πάντα μια τιμή (Σχήμα 2-5 (Α)).Επειδή είναι αναλογικό,η τιμή του κατανέμεται ομαλά. Είτε χρησιμοποιήσουμε έναν μετρητή βολτ,χιλιοστοβόλτ ή μικροβόλτ,υπάρχει πάντα μια μεταβαλλόμενη τάση.όταν το σήμα ψηφιοποιείται (από έναν αναλογικό-προς-ψηφιακό με μετατροπέα, ή ADC), η μεταβαλλόμενη τάση αποτυπώνεται σαν μια σειρά από αριθμούς. Ο ADC κάνει μια μέτρηση της τάσης, υπολογίζει τον κατάλληλο αριθμό και αποθηκεύει την ψηφιακή τιμή στον υπολογιστή.αν και αυτό συμβαίνει πολύ γρήγορα,κάθε μετατροπή διαρκεί κάποιο χρονικό διάστημα, έτσι ο ADC μπορεί να μετρήσει το σήμα σε ορισμένα μόνο χρονικά διαστήματα (Σχήμα 2-5 (Β)).Τα ψηφιακά δεδομένα χαρακτηρίζονται ως δειγματοληπτικά επειδή υπάρχουν κενά ανάμεσα στις μετρούμενες τιμές.ο λόγος που χρησιμοποιούμε τιμές όπως 256 και 512 για τις μητρικές εικόνες, αντί για τις πιο προφανείς 250 ή 500, είναι ότι οι υπολογιστές αποθηκεύουν όλες τις πληροφορίες τους σε δυαδική μορφή χρησιμοποιώντας το 0 και το 1. Ο υπολογιστής μπορεί να μετρήσει μέχρι το 256 χρησιμοποιώντας 8 bits (μια σειρά δυαδικών ψηφίων), ή μέχρι το 512 χρησιμοποιώντας 9 bits. Λόγω του τρόπου που λειτουργεί το δυαδικό σύστημα, είναι πιο αποτελεσματικό το να κάνει 256 υπολογισμούς κατά την ανοικοδόμηση, παρά 250. Στην πραγματικότητα,κάθε διαδικασία είναι ευκολότερη για τον υπολογιστή, εάν βασίζεται σε αριθμούς που ταιριάζουν με το μοτίβο του 2 στη δύναμη ν (2n). Το ψηφιοποιημένο σήμα συνήθως αποθηκεύονται σε 12 bits, σε εύρος τιμών από 0 έως 4095, ή πιο ωφέλιμα από το εως το 2047.Έτσι οι ακραίες αρνητικές και θετικές τιμές του σήματος MR θα μετατρέπονται σε και 2047 αντιστοίχως. Όλες οι ενδιάμεσες τιμές θα κλιμακωθούν σε αυτό το εύρος. Ωστόσο, ο υπολογιστής μπορεί να αποθηκεύσει μόνο ακέραιους αριθμούς (ακέραιους),έτσι το σήμα αλλάζει από συνεχές σε κλιμακωτό ή διακριτό (σχήμα 4.2 (Γ)). [22] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 30

32 Σχήμα 2-5 (Α)Το αναλογικό σήμα MR έτσι πως γίνεται αντιληπτο από τα πηνία λήψης του μαγνητικου τομογράφου (Β) Κατα την ψηφιοποίηση του δημμιουργούνται κενά ανάμεσα στα σημεία δειγματολειψίας. (Γ)Το ψηφιακό πλέον μαγνητικό σήμα. Το θεώρημα Nyquist Ένας ADC μπορεί να λειτουργήσει σε διαφορετικές ταχύτητες και ορίζεται από την τιμή ή την συχνότητα δειγματοληψίας του,που συμβολίζεται με fs.αν η fs είναι υψηλή,υπάρχει μόνο ένα μικρό διάκενο ανάμεσα στις μετρήσεις του σήματος, που είναι γνωστή ως η περίοδος δείγματος, Τs.Η Ts και η fs σχετίζονται μαθηματικά: Τs=1/fs (εξ.2-1) Έτσι, αν fs είναι χαμηλή, υπάρχει ένα μεγαλύτερο Τs και είναι φανερό ότι υπάρχει μια πιθανότητα το ψηφιακό σήμα να χάσει κάποιο μέρος του αρχικού σήματος MR (Σχήμα 2-6(Α)). Μαθηματικοί και μηχανικοί έχουν κάνει εκτενή θεωρητική έρευνα για αυτό το πρόβλημα και έχουν βρει έναν κανόνα για να το χαρακτηρίζουν, που ονομάζεται το θεώρημα Nyquist.Σύμφωνα με το Nyquist,το υψηλότερης συχνότητας σήμα που μπορεί να ψηφιοποιηθεί με ακρίβεια σε μια ορισμένη συχνότητα δειγματοληψίας fs είναι ίσο με το ήμισυ της συχνότητας δειγματοληψίας,γνωστή ως συχνότητα Nyquist fn. Η οποία περιγράφεται από τη σχέση: Nyquist συχνότητα=(1/2)*(συχνότητα δειγματοληψίας) fn=(1/2)*fs (εξ.2-2) Ας μελετήσουμε προσεκτικά διάφορων συχνοτήτων σήματα τα οποία έχουν ψηφιοποιηθεί όλα την ίδια συχνότητα fs. Αρχικά,ένα σήμα με συχνότητα χαμηλότερη από fn (σχήμα 2-6 (Β)) ψηφιοποιείται με ακρίβεια και το ψηφιακό σήμα που δημιουργείται αν ενώσουμε με μια γραμμή τα δείγματα έχει σαφώς την ίδια συχνότητα με το πρωτότυπο.τι γίνεται με ένα σήμα που έχει τιμή ακριβώς την συχνότητα Nyquist (σχήμα 4.3 (Γ));Τώρα τα ψηφιακά δείγματα εμφανίζονται σε κάθε κορυφή και κοιλία και το ψηφιακό σήμα αντιπροσωπεύει πάλι τη σωστή συχνότητα. Ωστόσο, εάν η συχνότητα του σήματος είναι υψηλότερη από fν φαίνεται ότι τα ψηφιακά δείγματα έχουν χάσει μερικά κομμάτια της κυματομορφής τους (σχήμα 4.3 (Δ)).Όταν ενώσουμε τα ψηφιακά δείγματα (όπως φαίνεται από την μπλε γραμμή), η συχνότητα φαίνεται να είναι χαμηλή αντί της ορθής υψηλής συχνότητας.αυτό είναι γνωστό ως aliasing (το οποίο θα δούμε οτι είναι και χαρακτηριστικό είδος παραμόρφωσης της MR εικόνας).λέμε ότι για κάθε fs,όλες οι συχνότητες που είναι μεγαλύτερες από τη συχνότητα Nyquist fν επιδέχονται αυτό το σφάλμα.μπορούμε να δούμε ένα καλό οπτικό παράδειγμα aliasing παρακολουθώντας μια παλιά western ταινία κοιτώντας τις ακτίνες των τροχών του βαγονιού καθώς αρχίζουν να κινούνται. Όταν οι τροχοί στρέφονται αργά τα μεμονωμένα καρέ του φιλμ είναι αρκετά γρήγορα ώστε να δείχνουν την κίνηση με ακρίβεια. Καθώς το όχημα κινείται γρηγορότερα και οι τροχοί περιστρέφονται πιο γρήγορα,οι ακτίνες φαίνεται να επιβραδύνουν,ύστερα να σταματούν και τελικά να γυρνούν ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 31

33 αντίστροφα!αυτό συμβαίνει επειδή ο τροχός έχει ολοκληρώσει περισσότερες από μια περιστροφές ανάμεσα σε κάθε καρέ, δηλαδή η συχνότητα περιστροφής των ακτίνων είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα δειγματοληψίας του φιλμ. Σχήμα 2-6 Απεικόνιση του θεωρήματος Nyquist. Βασικά Μεγέθη της Ψηφιακής εικόνας Αρχικά να πούμε πως κάθε ΨΕ αναπαριστάται υπό τη μορφή ψηφιδωτού.μια ψηφίδα του ψηφιδωτού αυτού, θεωρείται ως το μικρότερο πλήρες δείγμα μιας εικόνας και ονομάζεται εικονοστοιχείο ή πιο διαδεδομένα pixel, από το PICTure ELement = στοιχείο εικόνας. Στην οθόνη ενός υπολογιστή οι εικόνες αναπαριστώνται με "υποδιαίρεση" της οθόνης σε ένα δισδιάστατο πίνακα με στήλες και γραμμές. Κάθε "κελί" σε ένα τέτοιο πίνακα είναι ένα εικονοστοιχείο. Ο αριθμός των υποδιαιρέσεων πρέπει είναι επαρκώς μεγάλος, τόσο ώστε το ανθρώπινο μάτι να μη μπορεί να διακρίνει το ένα εικονοστοιχείο από το άλλο και να βλέπει την εικόνα ενιαία. Ανάλυση ΨΕ/ Πλήθος bits μιας εικόνας Μία εικόνα διαστάσεων Ν Μ και πλήθους αποχρώσεων G=2 m απαιτεί b= N M m bits για να αποθηκευτεί. Το m ονομάζεται και βάθος bit (bit depth) ή βάθος χρώματος (bit color) και είναι η ποσότητα της χρωματικής πληροφορίας της εικόνας προς εκτύπωση ή εμφάνιση. Αυξημένο m συνεπάγεται περισσότερες διαθέσιμες αποχρώσεις και με μεγαλύτερη ακρίβεια απόχρωσης στις ψηφιακές εικόνες. Έτσι,μια εικόνα με αποχρώσεις στην κλίμακα του γκρι θα απαιτήσει υποτριπλάσιο αριθμό bits. Για την ανάλυση μιας ψηφιακής εικόνες κάποιες φορές συναντάται ο ορισμός της γραμμικής πυκνότητας των εικονοστοιχείων (εκφρασμένη σε στοιχεία ανα inch ιντσα).αυτό όμως δεν είναι ένας πλήρης ορισμός,αλλά ένα άνω όριο για την ανάλυση της εικόνας.η ανάλυση της εικόνας καθορίζεται επίσης και από την διαδικασία της απεικόνισης.όσο πιο θολή είναι μία εικόνα τόσο χαμηλότερη είναι και η ανάλυση της. [11] Ευκρίνεια Η δυνατότητα απεικόνισης των λεπτομερειών μιας εικόνας καθορίζεται από την ευκρίνειά της, η οποία ισούται με το πλήθος των εικονοστοιχείων ανά μονάδα επιφανείας. Η μονάδα μέτρησης είναι τα pixels/in 2 ή dpi(dots per inch ). Οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται είναι οι διαστάσεις και το πλήθος των αποχρώσεων της εικόνας. Εάν μειώσουμε τις διαστάσεις μίας εικόνας με σταθερό το m (βάθος bit ή βάθος χρώματος ), η εικόνα θα εμφανίσει το φαινόμενο του σκακιού, δηλαδή θα κατατεμαχιστεί σε τετράγωνες χρωματικά περιοχές. Παράγοντες που συμβάλλουν στην μείωση της ευκρίνειας σε μία εικόνας είναι (1) τα χαρακτηριστικα του συστήματος απεικόνισης όπως το σημείο εστίασης (2) τα χαρακτηριστικά και η γεωμετρία του πορτραίτου της εικόνας, όπως για παράδειγμα το σχήμα του αντικειμένου που ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 32

34 περιέχεται στην εικόνα, η θέση του κι αν είναι σε κίνηση, τέλος (3) οι συνθήκες προβολής της εικόνας. Φωτεινότητα Ως φωτεινότητα ορίζουμε το μέτρο της πυκνότητας της έντασης του φωτός που προέρχεται από μία πηγή ή αντανακλάται από μία επιφάνεια. Είναι αντικειμενικός όρος. Η μονάδα μέτρησης είναι cd/m 2. Αντίθεση ΨΕ Μπορούμε να πούμε πως είναι η διαφορά της έντασης της φωτεινότητας ανάμεσα σε δύο εικονοστοιχεία της εικόνας ή και περιοχές της εικόνας,η οποία κάνει δυνατή την διάκριση διαφορετικών αντικειμένων μέσα στο ίδιο πεδίο προβολής(όρια της εικόνας). Υπάρχουν διάφορες μαθηματικές σχέσεις για την αντίθεση ανάλογα με τα στοιχεία της εικόνας που θέλουμε να διακρίνουμε.έτσι έχουμε την αντίθεση Weber I-I b /I b όπου Ι η ένταση του στοιχείου που μας ενδιαφέρει και Ι b η ένταση του φόντου(backround) της εικόνας.την αντίθεση Michelson I max - I min /I max +I min όπου Ι max,min η μέγιστη κι η ελάχιστη φωτεινότητα που εμφανίζεται στην εικόνα. Το μέγεθος της αντίθεσης καθορίζεται από (1) την διαδικασία απεικόνισης,όπως η ένταση της πηγής και την αποτελεσματικότητα απορρόφησης ή ευαισθησία της σύλληψης συσκευή, (2) ο χαρακτηριστικά σκηνής, όπως είναι οι φυσικές ιδιότητες, μέγεθος και το σχήμα του αντικειμένου, και η χρήση της αντίθεσης παράγοντες, και (3) οι συνθήκες θέασης Λαμπρότητα Με τον όρο λαμπρότητα εκφράζεται η αντίληψη της ποσότητας του φωτός που προέρχεται από πηγή ή αντικείμενο.είναι υποκειμενικός όρος και εξαρτάται από την ανακλώμενη επιφάνεια και από την φωτεινότητα. Απόχρωση Η απόχρωση αντιπροσωπεύει το υπερισχύον χρώμα που εκλαμβάνεται από έναν παρατηρητή,αφού εξαρτάται άμεσα από το υπερέχον μήκος κύματος μέσα σε ένα μίγμα από κύματα φωτός. Στην περίπτωση των εικόνων μονοχρωματικών αποχρώσεων του γκρι η φωτεινότητα είναι το μέγεθος που ενσωματώνει την αχρωματική έννοια της έντασης του φωτός. Ιστόγραμμα Εικόνας Η κατανομή του πλήθους/αριθμού των pixels στις διάφορες στάθμες (τιμές) της φωτεινότητας,αποτελεί το ιστόγραμμα της εικόνας.το ιστόγραμμα είναι ένα γραφικό εργαλείο που αφενός μας δίνει μια οπτική απεικόνιση της ποιότητας μίας εικόνας, αφετέρου μας επιτρέπει μέσα από συνδυασμένες ενέργειες να επέμβουμε στην φωτεινότητα, την αντίθεση, την χρωματική ισορροπία και την καμπύλη γ μίας εικόνας.χρήση του εργαλείου του ιστογράμματος για συγκέντρωση πληροφοριών και ανάλυση εικόνας,έγινε και από τα προγράμματα που περιέχονται στην πλατφόρμα MEDIMAN.Είναι πολύ εύκολο να κάνουμε μια πρώτη και γρήγορη αξιολόγηση της ποιότητας μίας εικόνας τουλάχιστον όσον αφορά τα παραπάνω τεχνικά χαρακτηριστικά της,χρησιμοποιώντας το εξαιρετικά εύχρηστο εργαλείο του ιστογράμματος. [11] Έτσι όπως μπορούμε να καταλαβουμε πάρα πολλές πληροφορίες μιας εικόνας περιέχονται στο ιστόγραμμα της.αν διαιρέσουμε τον αριθμό των pixel που έχουν την ίδια φωτεινότητα με το σύνολο των εικονοστοιχείων της εικόνας παίρνουμε το κανονικοποιημένο ιστόγραμμα ή αλλιώς την εκτίμηση πυκνότητας πιθανότητας.η πιθανότητα της τιμής ενός γκρι επιπέδου/απόχρωσης v δίνεται απο την σχετική συχνότητα του στην εικόνα,η οποία είναι: (εξ.2-3) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 33

35 Σχήμα 2-7 Επεξεργασμένη εικόνα μαγνητικής τομογραφίας και το ιστόγραμμα της. Τεχνικές τροποποίησης ιστογράμματος Oι τεχνικές τροποποίησης ιστογράμματος βασίζονται στην χρήση μιας γραμμικής ή μη γραμμικής συνάρτησης μετασχηματισμού Τ( ),με σκοπό τον μετασχηματισμό της αρχικής ζώνης φωτεινότητας,ώστε οι φωτεινότητες της εικόνας να απεικονίζονται σε μία νέα ζώνη. Το νέο ιστόγραμμα θα προκύπτει από την σχέση: h (k)=t(h(k)),k =0,,L-1 (εξ.2-4) έτσι ώστε h (k) ϵ {0,,L-1}. Η διαδικασία αυτή συναντάται σε πολλά προγράμματα επεξεργασίας εικόνας ως μία τεχνική τροποποίησης μέσω καμπυλών. Ο μετασχηματισμός των γκρι φωτεινοτήτων της εικόνας, ώστε να παρουσιάζουν ομοιόμορφη κατανομή σε όλη την κλίμακα φωτεινοτήτων επιτυγχάνεται με την τεχνική εξισορρόπησης ιστογράμματος. Η τελική εικόνα παρουσιάζει αυξημένη αντίθεση συγκριτικά με την αρχική. Για την κατανόηση των παραπάνω, θα συμβολίσουμε μια γκρι εικόνα ως Α(k,m),διαστάσεων N M, έτσι,ώστε Α(k,m) ϵ {0,,L-1}. Έστω h(g), g=0,,l-1, το ιστόγραμμα της εικόνας I. Η συνάρτηση αθροιστικής πιθανότητας φαίνεται από τη σχέση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 34

36 P(g)= g=0,,l-1 (εξ.2-5) Η συνάρτηση μετασχηματισμού των φωτεινοτήτων είναι η : T(g)=int[L P(g)] (εξ.2-6). Έτσι, κάθε φωτεινότητα Α της αρχικής εικόνας Α(k,m) μετασχηματίζεται στη φωτεινότητα B(k,m) της νέας εικόνας, σύμφωνα με τη σχέση B(k,m) =T(A(k,m)), k=0,,n-1 m=0,,m-1 (εξ.2-7) Συνεπώς, πραγματοποιείται η ομοιόμορφη κατανομή των φωτεινοτήτων της αρχικής εικόνας στην περιοχή [0,L-1] και η αύξηση της αντίθεσης της εικόνας. Επιπλέον,αξίζει να αναφερθεί πως η παραπάνω διαδικασία μπορεί να εφαρμοστεί τοπικά σε περιοχές που καθορίζονται από ένα κινούμενο παράθυρο. Σε αυτήν την περίπτωση, η τεχνική ονομάζεται τοπική εξισορρόπηση ιστογράμματος. Διαφορετικά, εάν εφαρμόζεται σε ολόκληρη την εικόνα ονομάζεται ολική εξισορρόπηση ιστογράμματος. [11] Άλλη τεχνική βελτιστοποίησης της εικόνας σχετική με μετασχηματισμούς της φωτεινότητας της εικόνας είναι η τεχνική της σημειακής επεξεργασίας (point processing). Ονομάζονται έτσι, διότι η επεξεργασία κάθε εικονοστοιχείου μιας εικόνας εξαρτάται από τη φωτεινότητα του ίδιου του εικονοστοιχείου,ενώ ο σκοπός τους είναι η εξομάλυνση ή ο τονισμός περιοχών φωτεινοτήτων. Αρχικά,ως φωτεινότητα ορίζουμε τη μέση φωτεινότητα των εικονοστοιχείων της. Έτσι για μια εικόνα διαστάσεων N M η φωτεινότητά της ισούται με: (εξ 2-8) Χρησιμοποιώντας συναρτήσεις μετασχηματισμού T(g) σύμφωνα με την σχέση h (k)=t(h(k)),k =0,,L-1 (εξ.2-9) μπορούμε να πετύχουμε ένα πλήθος μετατροπών που βρίσκουν εφαρμογή σε διάφορες περιπτώσεις. Αν g η αρχική κλίμακα φωτεινοτήτων και q η νέα κλίμακα φωτεινοτήτων μετά το μετασχηματισμό, τότε q=t(g) (εξ.2-10), και qdq=gdg q=g dg/dq (εξ.2-11). Οι τεχνικές αυτές ονομάζονται τεχνικές σημειάκης επεξεργασίας,μια που εφαρμόζονται σε κάθε pixel της εικόνας κι εξαρτώνται από την φωτεινότητά του. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 35

37 Ψηφιακή Επεξεργασία κι Ανάλυση εικόνων Η ψηφιακή καταγραφή εικόνων και η επεξεργασία τους με ηλεκτρονικό υπολογιστή περιλαμβάνονται σε αυτό που ονομάζουμε ψηφιακή επεξεργασία εικόνας, με είσοδο και έξοδο ψηφιακές εικόνες. Ουσιαστικά,το αντικείμενο της επεξεργασίας μπορεί να είναι η βελτίωση της ποιότητας της εικόνας, το φιλτράρισμα του θορύβου καταγραφής ή μετάδοσης, η συμπίεση του όγκου πληροφορίας, η αποθήκευση και η ψηφιακή μετάδοσή της. Από την άλλη πλευρά,η περιγραφή και η αναγνώριση του περιεχομένου της εικόνας,της πληροφορίας που αυτή φέρει είναι το αντικείμενο της ψηφιακής ανάλυσης εικόνας. Η είσοδος στην ανάλυση εικόνας είναι ψηφιακή εικόνα και η έξοδος είναι η συμβολική περιγραφή. [12] Βασικές τεχνικές επεξεργασίας εικόνας Η Ψ.Ε.Ε γίνεται συνήθως με την βοήθεια μέσων,όπως ειδικοί αλγορίθμοι και μετασχηματισμοί που έχουν σκοπό την βελτίωση της ποιότητας της εικόνας(π.χ αύξηση της ευκρίνειας ή της αντίθεσης ),ο εντοπισμός διαφόρων χαρακτηριστικών της,η τμηματοποίηση της εικόνας με εξαγωγη και διαχωρισμό των αντικειμένων που περιέχει,ο μετασχηματισμός της γεωμετρίας της εικόνας,μεταφορά της εικόνας σε άλλα πεδία,όπως το πεδίο συχνοτήτων με στόχο την ανάδειξη πληροφορίας που δεν είναι εμφανής αρχικά.[11] Όλες οι παραπάνω τεχνικές έχουν ως είσοδο μια εικόνα στην οποία εφαρμόζεται ένας αλγόριθμός ή μια μετατροπή και παίρνουμε ως αποτέλεσμα μια άλλη εικόνα,την εικόνα εξόδο η οποία θλεουμε να είναι καταλληλότερη για την εργασία μας.η ψηφιακή επεξεργσία της ιατρικής εικόνας εξυπηρετεί στην ανάδειξη πληροφορίας η οποία είναι κλινικά χρήσιμη και ίσως αθέατη μέσω αποκλειστικά της ανθρώπινης όρασης.η εικόνα εξόδου μπορεί να διατηρεί μερικά ή και πολλά στοιχεία της αρχικής εικόνας ανάλογα με τον τύπο της επεξεργασίας που υπόκειται. Η Ψ.Ε.Ε είναι μια πολύπλευρη διαδικασία,που χαρακτηρίζεται γενικά από πληθώρα διαφορετικών σταδίων ανάλογα με την μορφή και την αρχική κατάσταση της εικόνας προς επεξεργασία,καθώς και από το επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα.επομένως ανάλογα με την εφαρμογή χρησιμοποιούνται σταδιακά διάφορες τεχνικές επεξεργασίας κι ανάλυσης. Οι βασικότερες τεχνικές επεξεργασίας μιας ψηφιακής εικόνας και κατ επέκταση μιας ιατρικής Ψ.Ε είναι οι τεχνικές επεξεργασίας στο πεδίο του χώρου (spatial domain) και οι τεχνικές επεξεργασίας στο πεδίο της συχνότητας (frequency domain). Οι τεχνικές επεξεργασίας στο πεδίο του χώρου,αποτελούνται απο τεχνικές οι οποίες εφαρμόζονται απευθείας στα εικονοστοιχεία μιας εικόνας.οι κυριότερες από αυτές είναι : Σημειακή επεξεργασία (point processing).η τίμη της φωτεινότητας, χαρακτηριστικού μεγέθους για την grayscale εικόνα, από κάθε εικονοστοιχείο της εικόνας εισόδου θα υποστεί έναν μετασχηματισμό και προκύψει στην αντίστοιχη θέση το εικονοστοιχείο της εικόνας εξόδου. Τοπική επεξεργασία (Local Processing).Η τιμή της φωτεινότητας των εικονοστοιχείων της εικόνας εξόδου υπολογίζεται χρησιμοποιώντας όχι μόνο την τιμή της φωτεινότητας του αντίστοιχου εικονοστοιχείου απο την εικόνα εισόδου αλλά και από τα γειτονικά σε αυτό εικονοστοιχεία.άρα η τιμή ενός pixel εξόδου εξαρτάται απο την τιμή του αντίστοιχου pixel εισόδου,από τον μετασχηματισμό που θα χρησιμοποιήσουμε και πό τις τιμές των γειτονικών pixel στην εικόνα ειδόδου. Επίσης η εικόνα μπορεί να υποστεί γεωμετρικούς μετασχηματισμούς,όπως είναι η μετατόπιση ή η περιστροφή μιας εικόνας.έτσι τα εικονοστοιχεία της παραγώμενης εικόνας υπολογίζονται από τον μετασχηματισμό των συντεταγμένων θέσεως των εικονοστοιχείων της εικόνας εισόδου. Καθολική επεξεργασία (Global Processing).Για να υπολογιστεί η τιμή ενός pixel της εικόνας εξόδου χρησιμοποιείται το σύνολο των pixel της εικόνας εισόδου.η διαδικασία ολικής εξισορρόπησης ιστογράμματος (global histogram equalization) συγκαταλέγεται σε ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 36

38 αυτό το είδος της επεξεργασίας.με την τεχνική αυτή μετασχηματίζονται τα επίπεδα φωτεινότητας μιας εικόνας έτσι ώστε να κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλη την κλίμακα φωτεινοτήτων και κάθε pixel της εικόνας εξόδου εξαρταται απο την φωτεινότητα όλων /του πλήθους των pixel της εικόνας εισόδου.η παραγόμενη εικόνα με αυτήν την διαδικασία ειναι μια εικόνα με αυξημένη αντίθεση σε σύγκριση με την αρχική. [32] Μετασχηματισμοί φωτεινότητας Με τη χρήση αυτής της τεχνικής, δίνεται η δυνατότητα βελτίωσης της ποιότητας μιας εικόνας με κατάλληλη ρύθμιση των επιπέδων φωτεινότητας της.οι τεχνικές αυτές είναι τεχνικές σημειακής επεξεργασίας,έτσι κάθε pixel της εικόνας εξόδου υπολογίζεται από ένα γραμμικό ή μη γραμμικό μετασχηματισμό της τιμής του αντίστοιχου pixel της εικόνας εισόδου.χρησιμοποιώντας κατάλληλες συναρτήσεις μετασχηματισμού μπορούμε να πετύχουμε ένα πλήθος μετατροπών που βρίσκουν εφαρμογή σε διάφορες περιπτώσεις.ανάλογα με το πρόβλημα,έχουν προταθεί διάφορες συναρτήσεις μετασχηματισμού,γραμμικές(όπως π.χ. στην περίπτωση του αρνητικού μίας εικόνας) είτε μη γραμμικές (λογαριθμικές,εκθετικές κλπ).ορισμένες βασικές συναρτήσεις μετασχηματισμού παρουσιάζονται στην παρακάτω εικόνα. Σχήμα 2-8 Βασικές συναρτήσεις μετασχηματισμού φωτεινότητας που χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της εικόνας.για τυπικές grayscale εικόνες είναι L=256. Το πιο απλό παράδειγμα αυτής της κατηγορίας τεχνικών αφορά το αρνητικό μιας εικόνας,όπου η τιμή φωτεινότητας κάθε pixel της εικόνας εξόδου προκύπτει απο τη συνάρτηση μετασχηματισμού Negative:T(g)=255-g (όπου T(g) η τιμή του pixel στην εικόνα εξόδου,g η τιμή του pixel στην αντίστοιχη θέση της εικόνας εισόδου).το αρνητικό μιας εικόνας είναι χρήσιμο σε πολλές εφαρμογές ιατρικών εικόνων,όπως για παράδειγμα στην ψηφιακή μαστογραφία. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 37

39 Σχήμα 2-9 : Eικόνα ψηφιακής μαστογραφίας(αριστερά) και το αρνητικό της(δεξιά) Μια άλλη εφαρμογή των τεχνικών αυτών είναι η βελτίωση της αντίθεσης μιας εικόνας(contrast enhancement),διαδικασία η οποία οδηγεί στην αύξηση της ορατότητας μιας περιοχής ή μιας δομής της εικόνας,έτσι ώστε να είναι εγκυρότερες οι εξαγόμενες πληροφορίες και ευκολότερη η εφαρμογή άλλων τεχνικών.ανάλογα με το πρόβλημα,για τη βελτίωση της αντίθεσης μιας εικόνας χρησιμοποιούνται κατάλληλες συναρτήσεις μετασχηματισμού ώστε να αυξάνεται(ή να μειώνεται) η αντίθεση (ή η φωτεινότητα) σε προκαθορισμένες περιοχές φωτεινοτήτων.τυπικές συναρτήσεις μετασχηματισμού που χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της αντίθεσης ή της φωτεινότητας μιας εικόνας είναι η λογαριθμική συνάρτηση,η εκθετική συνάρτηση και οι συναρτήσεις δύναμης. Μια πιο απλή περίπτωση είναι η γραμμική συνάρτηση που ορίζεται σε μια υποπεριοχή(παράθυρο) του εύρους φωτεινοτήτων.δηλαδή μεταξύ κάποιων ορίων φωτεινότητας[low,high],όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.στην περίπτωση αυτή,τα pixels εξόδου που αντιστοιχούν σε pixels εισόδου που έχουν τιμές μικρότερες της τιμής low,λαμβάνουν τιμή 0,ενώ τα pixels εξόδου που αντιστοιχούν σε pixels εισόδου που έχουν τιμές μεγαλύτερες της τιμής high.λαμβάνουν τιμή 255.Με τον τρόπο αυτό πετυχαίνουμε προσαρμογή της αντίθεσης σε ένα εύρος φωτεινοτήτων. Σχήμα 2-10 Παρακάτω (Σχήμα 2-11) παρουσιάζεται το αποτέλεσμα της εφαρμογής της αντίθεσης σε εύρος φωτεινοτήτων με κάτω όριο low=77 και πάνω όριο high=180.παρατηρώντας την εικόνα αυτή και ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 38

40 την αρχική Σχήμα 2-7 (πάνω),διαπιστώνουμε πως με την εφαρμογή της συγκεκριμένης διαδικασίας αναδεικνύονται και τονίζονται λεπτομέρειες από το εσωτερικό του εγκεφάλου. Η βελτίωση της αντίθεσης μιας εικόνας μπορεί να πραγματοποιηθεί και με άλλες τεχνικές πέραν των προαναφερθέντων.η τεχνική εξισορρόπησης ιστογράμματος,που αναφέρθηκε παραπάνω,αποτελεί μια από τις πιο χρήσιμες κι απλές τεχνικές για τη βελτίωση της αντίθεσης εικόνας. Σχήμα 2-11: Αύξηση της αντίθεσης της εικόνας προκειμένου να αναδειχθούν λεπτομέρειες απο την περιοχή του εγκεφάλου. Χωρικά φίλτρα Το χωρικό φιλτράρισμα μιας εικόνας αποτελεί τεχνική τοπικής επεξεργασίας.τα χωρικά φίλτρα χρησιμοποιούνται για διάφορες εφαρμογές,όπως εξάλειψη του θορύβου,ανίχνευση ακμών κ.α.κάποιες απο τις οποίες θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Για την εφαρμογή των τεχνικών τοπικής επεξεργασίας χρησιμοποιείται συνήθως μια διαδικασία σάρωσης όλης της εικόνας με χρήση κυλιόμενων παραθύρων. [14] Κυλιόμενα φίλτρα Η μέθοδος χρησιμοποιείται ευρέως στην ΨΕΕ για την εφαρμογή διαφόρων τεχνικών όπως εφαρμογή χωρικών φίτρων,επεξεργασία εικόνας με αλγορίθμους που βασίζονται σε τοπικές τεχνικές,εντοπισμός περιοχών ενδιαφέροντος(περιοχών που παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά),εξαγωγή τοπικών χαρακτηριστικών. Κατά τη διαδικασία αυτή,η τιμή ενός pixel της εικόνας εξόδου καθορίζεται απο την εφαρμογή ενός αλγορίθμου στη γειτονιά του αντίστοιχου pixel της εικόνας εισόδου.έστω ότι στο Σχήμα 2-12 απεικονίζεται μια ψηφιακή εικόνα μεγέθους ΜxΝ όπου κάθε στοιχείο του πίνακα αντιστοιχεί σε ένα pixel της.κάθε pixel μιας εικόνας γειτονεύει άμεσα με οκτώ άλλα εικονοστοιχεία,4 με τα οποία έχει κοινά όρια και 4 με τα οποία έχει κοινές γωνίες.στο Σχήμα 2-12,τα 8 pixels που βρίσκονται γύρω απο το pixel P1(το οποίο είναι το κεντρικό της γειτονιάς) αποτελούν την άμεση γειτονιά του. Κατά την επεξεργασία με κυλιόμενο παράθυρο αρχικά πρέπει να οριστεί το μέγεθος του κυλιόμενου παραθύρου.η διαδικασία αυτή ονομάζεται και διαδικασία κυλιόμενης γειτονιάς,καθώς το κάθε παράθυρο ορίζεται ως προς τη γειτονιά ενός κεντρικού pixel.η άμεση γειτονιά ενός pixel είναι τα 8 γειτονικά του pixels,επομένως το πιο μικρό παράθυρο είναι παράθυρο μεγέθους 3X3.Στις περισσότερες περιπτώσεις χωρικών φίλτρων χρησιμοποιείται το παράθυρο γειτονιάς 3x3.Ωστόσο,ανάλογα με το πρόβλημα,μπορούμε να ορίσουμε και ως γειτονικά τα pixels που συνορεύουν με τα άμεσα γειτονικά pixels του κεντρικού pixel,και να προκύψουν έτσι παράθυρα μεγέθους 5X5,7x7 κλπ.καθώς η διαδικασία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 39

41 λαμβάνει χώρα γύρω από ένα κεντρικό pixel,οι γειτονιές θα πρέπει να είναι μονών διαστάσεων.ωστόσο,μπορούμε να ορίσουμε και γειτονιές μεγέθους mxn στις οποίες ως κεντρικό pixel ορίζεται αυτό που βρίσκεται στη θέση {([m n]+1)/2}. Έστω ότι επιθυμούμε να επεξεργαστούμε την παρακάτω εικόνα ανά περιοχές μεγέθους 3x3 pixels.το κόκκινο πλαίσιο στο Σχήμα 2-12 απεικονίζει την πρώτη περιοχή(παράθυρο-γειτονιά) 3x3 της εικόνας αυτής(το κεντρικό pixel P1 βρίσκεται στη θέση (2,2)).Κατά τη διαδικασία επεξεργασίας με κυλιόμενο παράθυρο,επεξεργαζόμαστε την υποπεριοχή αυτή ως μια νέα εικόνα και το αποτέλεσμα της επεξεργασίας διαμορφώνει την τιμή του pixel της εικόνας εξόδου που βρίσκεται στην αντίστοιχη θέση με το κεντρικό pixel του παραθύρου αυτού(στην προκειμένη περίπτωση διαμορφώνει την τιμή του pixel εξόδου που βρίσκεται στη θέση(2,2)). Σχήμα 2-12 : Γειτονιά 3x3 του pixel P1 Κατά αντιστοιχία,το pixel της εικόνας εξόδου που βρίσκεται στη θέση (3,2) θα λάβει τιμή σύμφωνα με τα αποτελέσματα της επεξεργασίας του παραθύρου 3x3 γύρω από το pixel εισόδου P2(Σχήμα 2-13). Σχήμα 2-13 : γειτονιά 3x3 του pixel P2 Η διαδικασία ονομάζεται επεξεργασία με κυλιόμενο παράθυρο καθώς-όπως φαίνεται στo Σχήμα 2-14 πραγματοποιείται σάρωση όλης της εικόνας με ένα κυλιόμενο παράθυρο προκειμένου όλα τα pixels της εικόνας εξόδου να λάβουν τιμή με βάση τον αλγόριθμο που εφαρμόζεται στο κάθε παράθυρο. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 40

42 Σχήμα 2-14: διαδικασία επεξεργασίας με χρήση κυλιόμενου παραθύρου Όπως φαίνεται και παραπάνω,με τη συγκεκριμένη διαδικασία υπάρχει περιορισμός όσον αφορά τα pixels που βρίσκονται στα άκρα της εικόνας,(το pixel P1 που αναλύεται πρώτο είναι το pixel στη θέση (2,2)),δηλαδή τα pixels που βρίσκονται στις θέσεις (I,1) και (1,j).Για αυτά πραγματοποιείται ξεχωριστή διαδικασία κυλιόμενου παραθύρου,σύμφωνα με κάποια από τις προτεινόμενες προσεγγίσεις(π.χ. προστίθενται μηδενικά pixels στα όρια της εικόνας ώστε να είναι εφικτή η διαδικασία-zero padding,ή αντιγράφονται τα pixels των άκρων προκειμένου να γεμίσουν τα στοιχεία των παραθύρων-border replication). Γραμμικό χωρικό φιλτράρισμα Τα χωρικά φίλτρα χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές της ΨΕΕ,όπως για παράδειγμα για τη βελτίωση μιας εικόνας,για αποθορυβοποίηση,για ανίχνευση ακμών κλπ.τα χωρικά φίλτρα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες,στα γραμμικά και στα μη γραμμικά.κατά την επεξεργασία με χρήση γραμμικών φίλτρων,η τιμή ενός pixel εξόδου αποτελεί γραμμικό συνδυασμό των τιμών των pixels που βρίσκονται στη γειτονιά του αντίστοιχου pixel εισόδου.το χωρικό φιλτράρισμα με χρήση γραμμικών φίλτρων πραγματοποιείται με χρήση είτε δισδιάστατης συνέλιξης(convolution),είτε δισδιάστατης συσχέτισης(correlation). Η συνέλιξη και η συσχέτιση αποτελούν διαδικασίες κυλιόμενου παραθύρου κατά τις οποίες η τιμή ενός pixel στην εικόνα εξόδου είναι το σταθμισμένο άθροισμα των τιμών των pixels της γειτονιάς του pixel που βρίσκεται στην αντίστοιχη θέση της εικόνας εισόδου.στη συσχέτιση,το σταθμισμένο άθροισμα είναι το άθροισμα των γινομένων των pixels της γειτονιάς με τους αντίστοιχους συντελεστές βάρους που ορίζονται από τον πυρήνα συσχέτισης, ο οποίος καθορίζει και το μέγεθος της γειτονιάς.τυπικά ένας πυρήνας συσχέτισης(ή φίλτρο ή μάσκα)είναι ένας πίνακας διαστάσεων 3x3.Στο παρακάτω Σχήμα 2-15 παρουσιάζεται η διαδικασία της συσχέτισης.σημειώνεται ότι εφόσον δεν ορίζεται αρνητική φωτεινότητα,όταν προκύπτει αρνητικός αριθμός από τις λειτουργίες αυτές αντικαθίσταται από την τιμή 0. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 41

43 Σχήμα 2-15 : Παράδειγμα συσχέτισης μιας εικόνας με έναν πυρήνα συσχέτισης Η συνέλιξη είναι παρόμοια διαδικασία με τη διαφορά ότι ο πυρήνας συνέλιξης περιστρέφεται 180 μοίρες πριν υπολογιστεί το σταθμισμένο άθροισμα.έτσι,στη συνέλιξη το σταθμισμένο άθροισμα είναι το άθροισμα των γινομένων των pixels της γειτονιάς εισόδου με τους απέναντι συντελεστές βάρους του πυρήνα συνέλιξης.ομοίως με τη συσχέτιση,ένας πυρήνας συνέλιξης είναι συνήθως ένας πίνακας διαστάσεων 3x3.Παρακάτω παρουσιάζεται ένα παράδειγμα συνέλιξης. Σχήμα 2-16 : Παράδειγμα συνέλιξης μιας εικόνας με έναν πυρήνα συνέλιξης Η τιμή του pixel της εικόνας εξόδου που βρίσκεται στην αντίστοιχη θέση με το κεντρικό pixel της εικόνας εισόδου,θα είναι: Pout=(-1*222)+(0*170)+(1*149)+(-2*173)+(0*147)+(2*205)+(-1*149)+(0*198)+(1*221)=63 Έτσι,ενώ στην αρχική εικόνα το κεντρικό pixel έχει τιμή 147,στην εικόνα εξόδου το αντίστοιχο pixel έχει τιμή 63. Ανάλογα με τη διαδικασία(συνέλιξη ή συσχέτιση)καθώς και με τον πυρήνα που θα επιλέξουμε,μπορούμε να πραγματοποιήσουμε διάφορα είδη χωρικού φιλτραρίσματος, όπως αποθορυβοποίηση,ανίχνευση ακμών κλπ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 42

44 Ένα απο τα πλέον απλά γραμμικά φίλτρα είναι το φίλτρο της μέσης τιμής(mean filter).χρησιμοποιείται για την εξομάλυνση και μείωση του θορύβου των εικόνων.η λειτουργία του φίλτρου αυτού συνίσταται στην αντικατάσταση της φωτεινότητας κάθε pixel με τη μέση φωτεινότητα της γειτονιάς του.ένα τυπικό φίλτρο μέσης τιμής πραγματοποιείται με τη διαδικασία συνέλιξης(ή συσχέτισης) και με τη χρήση του πυρήνα: Σχήμα 2-17: Πολλαπλασιάζουμε με συντελεστή 1/9 προκειμένου να προκύψει από τη συνέλιξη η μέση τιμή του αθροίσματος των τιμών των 9 pixels της γειτονιάς Η μέθοδος αυτή,καθώς και όλες οι γραμμικές μέθοδοι φιλτραρίσματος για την αποθορυβοποίηση εικόνας,εκτός από την εξομάλυνση του θορύβου προκαλούν θάμπωμα της εικόνας και αποκοπή των οξειών λεπτομερειών της.για το λόγο αυτό δεν είναι ιδανικές για την αποκοπή θορύβου σε ψηφιακές εικόνες. Μη γραμμικό χωρικό φιλτράρισμα Οι μη γραμμικές μέθοδοι φιλτραρίσματος αποτελούν μεθόδους που λειτουργούν-όπως και οι γραμμικές-με χρήση κυλιόμενων παραθύρων,αλλά για την εφαρμογή τους χρησιμοποιείται κάποιος μη γραμμικός αλγόριθμος και όχι συνέλιξη ή συσχέτιση. Ένα απλό παράδειγμα μη γραμμικού φιλτραρίσματος είναι η αποκοπή θορύβου salt και pepper με χρήση φίλτρου Median.Ο θόρυβος salt and pepper χαρακτηρίζεται από τυχαία κατανεμημένα λευκά και μαύρα pixels σε μια εικόνα.παρατηρώντας το Σχήμα 2-18 είναι προφανές πως το φίλτρο μέσης τιμής δεν είναι κατάλληλο για την αποκοπή του συγκεκριμένου θορύβου,καθώς τα λευκά pixels που αποτελούν το θόρυβο δεν θα εξαλειφθούν πλήρως,αντιθέτως θα αναμειχθούν με τα γειτονικά τους και θα προκαλέσουν αύξηση της μέσης τιμής φωτεινότητας κάθε γειτονιάς. Το φίλτρο Median αντικαθιστά την τιμή κάθε pixel με την ενδιάμεση τιμή απο ένα παράθυρο pixels στη γειτονιά του.για παράδειγμα,ας θεωρήσουμε ένα παράθυρο 3x3 στη γειτονιά ενός pixel που έχει τιμή 250,με τιμές των γειτονικών pixels{10,20,20,20,250,20,20,25,15} όπως φαίνεται παρακάτω.καθώς οι τιμές γειτονικών pixels κυμαίνονται μεταξύ 10 και 25,το pixel με την τιμή 250 αντιστοιχεί σε θόρυβο salt and pepper.το φίλτρο Median αναδιατάσσει τις τιμές κατά αύξουσα διάταξη {10,15,20,20,20,20,20,20,25,250} και στη συνέχεια επιλέγει την ενδιάμεση τιμή,δηλαδή την τιμή 20,για να αντικαταστήσει την τιμή 250.Με τον τρόπο αυτό ο συγκεκριμένος θόρυβος εξαλείφεται πλήρως.η διαδικασία επαναλαμβάνεται για όλα τα pixels της εικόνας.το αποτέλεσμα της αποθορυβοποιήσης με χρήση φίλτρου Median φαίνεται το Σχήμα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 43

45 Σχήμα 2-18 : MRI εικόνα εγκεφάλου με salt and pepper θόρυβο(αριστερά) και η ίδια εικόνα με εξάλειψη του θορύβου(δεξιά) Ανίχνευση ακμών στην εικόνα Μία από τις βασικότερες διαδικασίες στην ΨΕΕ και ειδικότερα στον κλάδο της Ιατρικής Απεικόνισης είναι η ανίχνευση ακμών (edge detection).ιδιαίτερη εφαρμογή βρίσκει στους τομείς της ανίχνευσης και εξαγωγής χαρακτηριστικών,οι οποίοι αποσκοπούν στον εντοπισμό σημείων σε μια εικόνα στα οποία η φωτεινότητά της αλλάζει απότομα(παρουσιάζει ασυνέχειες). [14] Ως ακμή σε μία gray-scale εικόνα ορίζεται η σχετική ασυνέχεια μεταξύ δύο διαβαθμίσεων του γκρι.στην πράξη μια ακμή θεωρείται το σύνορο μεταξύ δύο ομοιογενών περιοχών με διαφορετική φωτεινότητα ή αλλιώς το περίγραμμα αυτών.είναι απαραίτητο να υιοθετηθούν διάφορες παραδοχές προκειμένου να ξεχωρίσουμε τις ασυνέχειες που έχουν νόημα από εκείνες που δεν έχουν.για παράδειγμα,οι δύο παρακάτω εικόνες αναπαριστούν μία εικόνα ακτινογραφίας(αριστερά) και μία εικόνα αγγειογραφίας (δεξιά) (Σχήμα 2-19).Η ανίχνευση των ακμών στην πρώτη εικόνα είναι πολύ πιο εύκολη υπόθεση από ό,τι στη δεύτερη,καθώς είναι πιο εύκολο να οριστούν οι ασυνέχειες,η μετάβαση δηλαδή από pixels με τιμή 0(μαύρο)-τα οποία αντιστοιχούν στο φόντο της εικόνας-σε pixels με τιμές μεγαλύτερες του 150-τα οποία αντιστοιχούν στο σκελετό.αντίθετα,στη δεύτερη εικόνα θα πρέπει να βρούμε μια φόρμουλα που να ορίζει ποιες μεταβάσεις αποτελούν ασυνέχειες στα gray levels,π.χ. η μετάβαση από pixels με τιμή x1σε pixels με τιμή x2. Στην ιδανική περίπτωση,το αποτέλεσμα της εφαρμογής ενός ανιχνευτή ακμών σε μια εικόνα οδηγεί σε ένα σύνολο συνδεδεμένων καμπυλών που δείχνουν τα όρια(περιγράμματα) των διαφόρων αντικειμένων της εικόνας.ωστόσο,καθώς δεν υπάρχει γενικό μαθηματικό μοντέλο που να καθορίζει τις ακμές σε μια εικόνα,έχουν κατά καιρούς προταθεί διάφορες προσεγγίσεις ανίχνευσης ακμών που καταλήγουν σε διαφορετικά αποτελέσματα ανίχνευσης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 44

46 Σχήμα 2-19:(αριστερά):Ακτινογραφία της άνω περιοχής του σώματος (δεξιά):εικόνα αγγειογραφίας στην περιοχή των νεφρών Οι δύο πιο γνωστές τεχνικές ανίχνευσης ακμών είναι οι τεχνικές που προτάθηκαν από τους Sobel και Canny. Η τεχνική Sobel δίνει έμφαση σε περιοχές υψηλής χωρικής συχνότητας,οι οποίες αντιστοιχούν σε ακμές.η τεχνική εφαρμόζεται με χρήση ενός τελεστή(τελεστής Sobel) ο οποίος αποτελείται από δύο φίλτρα(μάσκες ακμών),ένα για να ανιχνεύσει τις αλλαγές στην οριζόντια (Gx).Οι δύο μάσκες του τελεστή Sobel είναι οι δύο πυρήνες συνέλιξης 3x3 που παρουσιάζονται παρακάτω.κατά τη διαδικασία ανίχνευσης ακμών πραγματοποιείται συνέλιξη μεταξύ της εικόνας και των δύο αυτών μασκών.από τον κατάλληλο συνδυασμό των δύο εικόνων που προκύπτουν αναδεικνύονται οι ακμές των αντικειμένων της εικόνας.στην πιο απλή περίπτωση υπολογίζεται ένα μέγεθος κλίσης για κάθε pixel,π.χ. G = Gx + Gy,και στην περίπτωση που αυτό υπερβεί ένα κατώφλι τότε ορίζεται πως το pixel αποτελεί σημείο ακμής και λαμβάνει τιμή 255(αλλιώς λαμβάνει τιμή 0).Με τη διαδικασία αυτή σαρώνεται όλη η εικόνα και όσα σημεία ανιχνευθούν ότι αποτελούν σημεία ακμών αναδεικνύονται στο προσκήνιο,όπως φαίνεται και στο παράδειγμα Σχήμα 2-20.Ο τελεστής Sobel υπολογίζει την απόκλιση της έντασης κάθε pixel σε σχέση με τα γειτονικά του και δίνει ως αποτέλεσμα την πιο πιθανή μέγιστη αύξηση από τα σκούρα gray levels στα πιο ανοιχτά,καθώς και τη μεταβολη αυτής.ουσιαστικά δείχνει πώς μεταβάλλεται η τιμή φωτεινότητας στις οριζόντιες και κάθετες κατευθύνσεις,και γι αυτό τα σημεία μεγάλης μεταβολής είναι πολύ πιθανό να είναι ακμές.ανήκει στις τεχνικές ανίχνευσης ακμών με χρήση πρώτης παραγώγου. Σχήμα 2-20: Μάσκες Sobel μεγέθους 3x3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 45

47 Σχήμα 2-21: Ανίχνευση των ακμών της αρχικής CT εικόνας εγκεφάλου με χρήση της τεχνικής Sobel O αλγόριθμος Canny αποτελεί μια από τις καλύτερες τεχνικές ανίχνευσης ακμών(χρησιμοποιήθηκε στον κώδικα της εφαρμογής για ανίχνευση περιγράμματος του εγκεφάλου στο Ariba αλλά και της καρκινικής περιοχής στο ήπαρ στο DWI-Analyzer ).Είναι ένας σύνθετος πολυσταδιακός αλγόριθμος που αναπτύχθηκε το 1986 από τον John F. Canny με στόχο τη βέλτιστη και ευρεία ανίχνευση ακμών.ο αλγόριθμος εφαρμόζει σταδιακά διάφορες τεχνικές,όπως εξομάλυνση της εικόνας με χρήση Gaussian συνέλιξης,ανίχνευση των περιοχών με υψηλή χωρική πρώτη παράγωγο(συνήθως με χρήση τελεστή Sobel),κατωφλίωσηκ.ά.,προκειμένου να ανιχνευθεί και να αναδειχθεί ένα μεγάλο εύρος ακμών στην εικόνα.η τεχνική ανίχνευσης ακμών Canny υπερτερεί των τεχνικών ανίχνευσης ακμών με χρήση πρώτης παραγώγου(όπως ο Sobel) στο ότι ανιχνεύει επιπλέον αδύνατες ακμές που ενδεχομένως να περιέχουν σημαντική πληροφορία. Σχήμα 2-22: Ανίχνευση των ακμών της αρχικής CT εικόνας εγκεφάλου με χρήση του αλγορίθμου Canny Tμηματοποίηση εικόνας Αφορά μεθόδους που έχουν ως εισόδους ολόκληρες εικόνες και ως εξόδους στοιχεία που εξαγάγουμε από αυτές τις εικόνες.βασικός στόχος της μεθόδου τμηματοποίησης εικόνας(image segmentation) είναι η υποδιαίρεση μιας εικόνας στις περιοχές ή στα αντικείμενα που την αποτελούν,και βασίζεται στο γεγονός πως μια περιοχή ή ένα αντικείμενο σε μια εικόνα αναμένεται να έχει ομοιογενή χαρακτηριστικά,όπως ένταση,υφή κ.α.οι αλγόριθμοι που εφαρμόζονται στηρίζονται στην ασυνέχειααπότομη μεταβολή-των τιμών των pixels(ανίχνευση μεμονωμένων σημείων,γραμμών ή ακμών) ή στην ομοιότητά τους(π.χ. thresholding).η απλούστερη μέθοδος τμηματοποίησης είναι αυτή της κατωφλίωσης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 46

48 Κατωφλίωση: Η εφαρμογή της τεχνικής κατωφλίωσης(thresholding) σε μια ψηφιακή εικόνα βασίζεται στην υπόθεση ότι τα pixels του προς μελέτη αντικειμένου(προσκήνιο) μπορούν να διαχωριστούν από τα pixels των άλλων αντικειμένων και του φόντου(παρασκήνιο) με βάση τις τιμές φωτεινότητάς τους.ένας απλός τρόπος εφαρμογής είναι ο καθορισμός μιας κλίμακας τιμών φωτεινότητας(κατώφλι) σύμφωνα με τις τιμές που εμφανίζουν τα pixels που ανήκουν στην περιοχή ενδιαφέροντος,και στη συνέχεια η εφαρμογή του κατωφλίου σε όλη την εικόνα προκειμένου τα pixels που βρίσκονται εκτός των ορίων του κατωφλίου να τοποθετηθούν στο παρασκήνιο.στη δημιουργηθείσα εικόνα τα pixels που παρουσιάζουν φωτεινότητα εντός του εύρους τιμών φωτεινότητας του κατωφλίου παραμένουν αμετάβλητα,ενώ αυτά που βρίσκονται εκτός του εύρους μηδενίζονται.με τον τρόπο αυτό,η νέα εικόνα περιλαμβάνει μόνο το αντικείμενο ενδιαφέροντος.ένας τρόπος επιλογής του κατωφλίου είναι με οπτική εξέταση του ιστογράμματος της εικόνας.μια άλλη μέθοδος επιλογής τιμής του κατωφλίου είναι μέσω δοκιμής και σφάλματος.στην περίπτωση αυτή επιλέγουμε διάφορες τιμές του κατωφλίου έως ότου κάποια παράγει καλά αποτελέσματα με βάση δεδομένα κριτήρια του παρατηρητή.όπως είναι προφανές,η τεχνική της κατωφλίωσης αποτελεί τεχνική σημειακής επεξεργασίας. Region Growing:Είναι μια διαδικασία που ομαδοποιεί pixels σε μεγαλύτερες περιοχές.η πιο απλή εκδοχή της είναι η pixel aggregation,η οποία ξεκινά με μια ομάδα «σπόρων»(seeds) και προσδιορίζει μια περιοχή προσαρτώντας σε κάθε «σπόρο» εκείνα τα γειτονικά pixels που έχουν παρόμοιες ιδιότητες(διαβάθμιση του γκρι,χρώμα,υφή).βασικές δυσκολίες της τεχνικής αυτής είναι η επιλογή των αρχικών «σπόρων» και των κριτηρίων ομοιότητας,καθώς και η διαμόρφωση ενός stopping rule με τη χρήση εννοιών όπως το μέγεθος και το σχήμα της περιοχής,η ομοιότητα του υπό εξέταση pixel με την ήδη δημιουργηθείσα περιοχή κ.ά. Για παράδειγμα,σε μια CT εικόνα εγκεφάλου ενδεχομένως να μας ενδιαφέρει η κατακράτηση του κρανιακού ιστού.αυτό επιτυγχάνεται διακρίνοντας τις τιμές φωτεινότητας που έχει το οστό στην αρχική εικόνα.μελετώντας την εικόνα του Σχήματος 2-7 (πιο πάνω) είναι εύκολο να διαπιστώσουμε ότι τα pixels που αναπαριστούν το κρανίο παρουσιάζουν τιμές φωτεινότητας πολύ κοντά στο 255(λευκό).Επομένως,ένας απλός τρόπος να δημιουργήσουμε μια εικόνα στην οποία θα απεικονίζεται μόνο το κρανίο είναι να εφαρμόσουμε κατωφλίωση με εύρος τιμών κατωφλίου[250,255].με αυτό τον τρόπο θα κρατήσουμε όλα τα pixels που παρουσιάζουν φωτεινότητα εντός του διαστήματος[250,255] και θα μηδενίσουμε όλα τα υπόλοιπα.το αποτέλεσμα αυτής της κατωφλίωσης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα όπου διακρίνεται ξεκάθαρα μόνο το κρανίο από την εικόνα CT. Σχήμα 2-23 : κατωφλιωμένη (thresholded) CT εικόνα εγκεφάλου(ανάδειξη κρανιακού οστού) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 47

49 Ανάλυση ψηφιακής εικόνας Η ανάλυση μιας ψηφιακής εικόνας αποσκοπεί στη εξαγωγή χρήσιμης πληροφορίας (ποσοτικής και ποιοτικής) από αυτή, καθώς και στην κατανόηση της πληροφορίας αυτής. Η ανάλυση ψηφιακής εικόνας αφορά διαδικασίες κατά τις οποίες είσοδο αποτελεί μια εικόνα και έξοδο αποτελεί κάποιο είδος πληροφορίας, όπως δεδομένα τα οποία αντιστοιχούν σε ορισμένα χαρακτηριστικά της εικόνας. Τα χαρακτηριστικά χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν ή να χαρακτηρίσουν αντικείμενα που περιέχονται στις εικόνες και πρέπει επομένως να επιλέγονται κατάλληλα και ανάλογα με τις ιδιαίτερες απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής. Σχήμα 2-24: Εξαγωγή χαρακτηριστικών από την ανάλυση μιας εικόνας Στις περισσότερες περιπτώσεις, κατά το στάδιο της ανάλυσης, η εικόνα εισόδου είναι μια εικόνα που έχει προηγουμένως υποστεί κατάλληλη επεξεργασία προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα της αρχικής ή να αναδειχθούν (απομονωθούν) οι περιοχές ή τα αντικείμενα που επιθυμούμε να μελετήσουμε. Για παράδειγμα, μια εικόνα που περιέχει θόρυβο, πρέπει αρχικά να υποστεί κατάλληλη αποθορυβοποίηση προκειμένου να αναλυθεί σωστά. Είναι επομένως σημαντικό, η εικόνα εξόδου που δημιουργείται κατά της προεπεξεργασία (και η οποία αποτελεί την είσοδο του συστήματος ανάλυσης) να είναι κατάλληλη προκριμένου να εξαχθεί χρήσιμη και ποιοτική πληροφορία. Επίσης, απαιτείται πολλές φορές η περαιτέρω ανάλυση (π.χ. στατιστική ανάλυση) της εξαγόμενης πληροφορίας, προκειμένου να καταλήξουμε σε κάποιο χρήσιμο συμπέρασμα για της εικόνα ή τα αντικείμενα που μελετούμε. Η εξαγωγή συμπερασμάτων για ένα αντικείμενο που περιγράφεται από ένα σύνολο χαρακτηριστικών μπορεί να πραγματοποιηθεί με χρήση τεχνικών ταξινόμησης προτύπων. Από την ανάλυση μιας εικόνας μπορούν να εξαχθούν διάφορα χαρακτηριστικά που αντιπροσωπεύουν τα αντικείμενα που περιέχει αυτή, όπως χρώμα, σχήμα, υφή, συχνοτικό περιεχόμενο (σε περίπτωση που η ανάλυση λαμβάνει χώρα στο πεδίο των συχνοτήτων), κ.α..παρακάτω θα αναλυθούν ορισμένα από αυτά. Ανάλυση Σχήματος (shape analysis) Η ανάλυση σχήματος αποσκοπεί στην εξαγωγή πληροφορίας σχετικής με το σχήμα που έχουν τα αντικείμενα μιας εικόνας. Έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές για την ανάλυση του σχήματος ενός αντικειμένου, οι οποίες εξάγουν διάφορα χαρακτηριστικά σχήματος. Τα πιο απλά χαρακτηριστικά σχήματος είναι τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, τα οποία προκύπτουν άμεσα από τη γεωμετρική μορφή των αντικειμένων. Ορισμένα από τα σημαντικότερα γεωμετρικά χαρακτηριστικά είναι τα εξής: Περίμετρος,Επιφάνεια,Ακτίνα,Εκκεντρότητα,Καμπυλότητα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 48

50 Η περίμετρος ενός αντικειμένου ορίζεται ως το μήκος του εξωτερικού περιγράμματος του. Σε μια ψηφιακή εικόνα η περίμετρος ενός αντικειμένου μπορεί να ισούται απλά με το πλήθος των pixels του περιγράμματος του. Αντίστοιχα η επιφάνεια (εμβαδό) ενός αντικειμένου ισούται με το πλήθος των pixels που περιέχει αυτό (μέσα στην περίμετρο του). Με παρόμοιο τρόπο ορίζεται και η ακτίνα ενός αντικειμένου (σε περίπτωση που αυτό δεν είναι κύκλος ορίζονται 2 ακτίνες, η μέγιστη και η ελάχιστη απόσταση του κέντρου μάζας του από την περίμετρο). Η εκκεντρότητα ορίζεται από το λόγο της μέγιστης ακτίνας προς την ελάχιστη και είναι χαρακτηριστικό της κυκλικότητας του αντικειμένου. Αυτά τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (και πολλά άλλα) είναι πολύ χρήσιμα στην περιγραφή και ανάλυση ενός αντικειμένου μιας εικόνας. Στην παρακάτω εικόνα μαγνητικής τομογραφίας (τομή από εγκέφαλο), η λευκή περιοχή που βρίσκεται εντός του εγκεφάλου αντιστοιχεί σε όγκο (σημειωμένη με πλαίσιο). Στην εικόνα αυτή είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της υπό μελέτης περιοχής. Με κατάλληλη επεξεργασία της εικόνας MRI (πολυκατωφλίωση και εξαγωγή των περιοχών ενδιαφέροντος) μπορούμε να εξάγουμε την περιοχή όγκου προκειμένου να την αναλύσουμε ξεχωριστά από τις υπόλοιπες περιοχές. Το αποτέλεσμα της επεξεργασίας οδηγεί σε μια νέα εικόνα η οποία αντιπροσωπεύει την περιοχή του όγκου (Σχήμα 2-25, δεξιά). Η ανάλυση σχήματος της νέας αυτής εικόνας οδηγεί στα εξής γεωμετρικά χαρακτηριστικά του όγκου: Περίμετρος= 146 pixels,επιφάνεια= 1074 pixels,μέγιστη ακτίνα= 56 pixels,ελάχιστη ακτίνα= 25 pixels,εκκεντρότητα= Λαμβάνοντας διάφορες τομές του εγκεφάλου και εφαρμόζοντας τεχνικές ανακατασκευής ψηφιακής εικόνας, μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα τρισδιάστατο μοντέλο του εγκεφάλου (3D Reconstruction/τεχνική ηοποία χρησιμοποιήθηκε στο πρόγραμμα Ariba). Από αυτό το τρισδιάστατο μοντέλο μπορούμε να υπολογίσουμε τον όγκο της περιοχής που καταλαμβάνει ο καρκίνος, δεδομένο πολύ χρήσιμο για τους γιατρούς. Σχήμα 2-25 : MRI εικόνα εγκεφάλου (αριστερά) και εξαγωγή της περιοχής ενδιαφέροντος που αντιστοιχεί στον όγκο (δεξιά) προκειμένου να υπολογιστούν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του. Ανάλυση υφής (Texture Analysis) Η έννοια της υφής αναφέρεται στην αίσθηση που δημιουργείται κατά την επαφή του ανθρώπου με μια επιφάνεια και εξαρτάται από τη δομή της επιφάνειας. Στις ψηφιακές εικόνες δεν υπάρχει αυστηρός ορισμός της υφής. Οι εικόνες είναι πίνακες pixels, κάθε ένα από τα οποία περιγράφεται από τη χρωματικότητά του. Στην περίπτωση των ασπρόμαυρων εικόνων κάθε στοιχείο περιγράφεται από έναν και μοναδικό αριθμό, την ένταση της φωτεινότητας στο συγκεκριμένο σημείο. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 49

51 Η υφή σχετίζεται με τα επίπεδα φωτεινότητας (gray levels) που εμφανίζονται στην εικόνα και τον τρόπο που αυτά κατανέμονται, ώστε να δίνεται η αίσθηση του τρισδιάστατου και του ανάγλυφου. Μεταβολές στην ένταση φωτεινότητας των pixels μιας εικόνας, εμφανιζόμενες με κάποιο συστηματικό τρόπο, χαρακτηρίζουν την υφή της. Η υφή μπορεί να προσδιοριστεί από τις παρακάτω παραμέτρους:αδρότητα (Coarseness),Αντίθεση (Contrast),Τραχύτητα (Roughness),Ομαλότητα (Regularity),Περιοδικότητα (Periodicity),Ινώδες (Line- Lightness),Κατευθυντικότητα (Direcionality). Η ανάλυση της υφής στις εικόνες είναι χρήσιμη σε ένα μεγάλο αριθμό εφαρμογών και είναι αντικείμενο έρευνας εδώ και πολλά χρόνια. Η πιο άμεση εφαρμογή είναι η αναγνώριση περιοχών μιας εικόνας με βάση την υφή. Για παράδειγμα, στην παρακάτω εικόνα μπορούμε να αναγνωρίσουμε πέντε περιοχές με διαφορετική υφή. Πολλές φορές η υφή που έχουν κάποια αντικείμενα μπορεί να φανερώσει την κατάσταση στην οποία βρίσκονται (π.χ. ένα καρκινικό κύτταρο μπορεί να έχει διαφορετική υφή από ένα υγιές) ή άλλες φορές είναι μοναδική και μας βοηθά να το ξεχωρίσουμε από άλλα (π.χ. η υφή του ξύλου ή η υφή του τούβλινου τοίχου). Σε τέτοιες περιπτώσεις μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την υφή που απεικονίζεται σε ψηφιακές εικόνες ώστε να αναγνωρίσουμε τα αντικείμενα που υπάρχουν σε αυτήν. Για να γίνει αυτό πρέπει να έχουμε μια βάση δεδομένων με υφές οι οποίες αντιστοιχούν σε αντικείμενα. Η νέα υφή που δεχόμαστε ως είσοδο πρέπει να συγκριθεί με όλες τις υφές της βάσης και να καταταχθεί σε μία από τις υπάρχουσες κατηγορίες. Τελικά μπορούμε να αποφανθούμε για το είδος ή τη φύση του αντικειμένου στο οποίο ανήκει η υφή εισόδου. Το πρόβλημα αυτό ονομάζεται κατηγοριοποίηση ή ταξινόμηση υφής (texture classification). Μέθοδοι ανάλυσης υφής Τα τελευταία χρόνια πολλές μέθοδοι, μικρής ή μεγάλης πολυπλοκότητας, έχουν αναπτυχθεί για να αναλύσουν και να περιγράψουν την υφή εικόνας. Οι κυριότερες μέθοδοι ανάλυσης και προσδιορισμού χαρακτηριστικών υφής είναι οι εξής:στατιστικά στοιχεία υφής (Texture Statistics), Πίνακες συνεμφάνισης- Στατιστικά στοιχεία πινάκων συνεμφάνισης (Co-occurrence matrices Statistics),Μέθοδος μήκους διαδρομής (Primitive or Run Length method),αυτοσυσχέτιση (Autocorrelation),Φάσμα Ισχύος Fourier (Fourier Power Spectrum),Φάσμα υφής (TextureSpectrum),Χαρακτηριστικά ενέργειας υφής (Texture Energy),Χαρακτηριστικά υφής βασιζόμενα σε fractals,χαρακτηριστικά υφής βασιζόμενα σε κυματίδια (wavelets). Κάθε μια από τις παραπάνω μεθόδους ανάλυσης υφής εμφανίζει συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και είναι βέλτιστη για διαφορετικές περιπτώσεις ανάλυσης. Ταξινόμηση Προτύπων(Pattern Classification) Χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στην ανάλυση ιατρικής εικόνας για εξαγωγή πληροφοριων και συμπερασμάτων με στόχο την διευκόλυνση των ιατρών στην διάγνωση τους.αφορά την εξαγωγή στοιχείων για συγκεκριμένα δεδομένα,κάποιο δείγμα,του οποίου κάποια συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, διαφορετικά κάθε φορά ανάλογα με το πεδίο εφαρμογής,πρέπει να ομαδοποιήσουμε (για παράδειγμα ταξινόμηση ιστών σε καρκινικούς ή μη καρκινικούς). Οι βασικότερες τεχνικές ταξινόμησης βασίζονται σε χρήση στατιστικών μεθόδων και νευρωνικά δίκτυα,ενώ η επιλογή των χαρακτηριστικών γίνεται με συγκεκριμένους αλγορίθμους.κάποιοι ευρέως διαδεδομένοι αλγόριθμοι είναι οι : Κ-Κοντινότερου γείτονα,ταξινομητής μέγιστης εντροπίας, Ταξινομητής Naive Bayes, Perceptron, Κ-μέσων κι άλλοι πολλοί. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 50

52 Παραμορφώσεις (artifacts) σε εικόνες από μαγνητικό τομογράφο* Οι παραμορφώσεις (σφάμλατα) στην εικόνα είναι τεχνητά στοιχεία της εικόνας,είναι ανεπιθύμητες αφού μειώνουν την ποιότητα της εικόνας,όπως για παράδειγμα η σκόνη ή οι γρατσουνιές στις φωτογραφίες. Παραδείγματα παραμορφόσεων σε ιατρικές εικόνες είναι παραμορφώσεις σε σχήμα καρφιού σε αξονική τομογραφία (CT) και γεωμετρικές αλλοιώσεις στον τομέα της της μαγνητικής τομογραφίας (MRI). Παραμορφώσεις στην εικόνα μπορούν επίσης να προκύψουν από την ψηφιακή επεξεργασία εικόνας, όπως η ανεπιθύμητη ενίσχυση των άκρων. Επειδή οι παραμορφώσεις στην εικόνα μπορεί να παρεμποδίσουν την διάγνωση ή να έχουν ως αποτέλεσμα δημιουργία λανθασμένων συμπερασμάτων, είναι σημαντικό να λαμβάνονται τα κατάλληλα μέτρα για την αποφυγή τους ή τουλάχιστον να γίνεται κατανοητός ο λόγος δημιουργίας τους. [12] Τα αίτια των παραμορφώσεων σε εικόνες απο μαγνητικό τομογράφο μπορούν γενικά να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: Παραμορφώσεις λόγω κίνησης,που τείνουν να εμφανίζονται σαν είδωλα ('ghost' images) κατά μήκος της κατεύθυνσης της κωδικοποίησης φάσης και μπορούν να προκληθούν είτε από φυσιολογικές κινήσεις στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος,με κυριότερη την ροή του αίματος,είτε από ακούσια κίνηση του ασθενούς κατα την διάρκεια της σάρωσης. Παραμορφώσεις λόγω της ανομοιογένειας των πεδίων που δημιουργούνται μεσα σε ένα μαγνητικό τομογράφο,κυρίως λόγω προβλημάτων στο hardware αλλά και ύπαρξης διαφορετικής μαγνητικής επιδεκτικότητας σε κάποιο σημείο του ασθενούς (βλ.οι μαγνητικές ιδιότητες των υλικών) Παραμορφώσεις λόγω της ψηφιακής επεξεργασίας της εικόνας ή της ψηφιακής επεξεργασίας των σημάτων για την παραγωγή της εικόνας.παραδείγματα τέτοιων σφαλμάτων είναι οι παραμορφώσεις αναδίπλωσης φάσης (phase wrap-around artefacts) και παραμορφώσεις που προέρχονται από προβλήματα στον ψηφιακό μετασχηματισμό Fourier. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 51

53 Σχήμα 2-26: Παραμορφώσεις σε εικόνα μαγνητικής τομογραφίας εγκεφάλου λόγω συνεχόμενης κίνησης του ασθενούς κατά την διάρκεια της σάρωσης. Μια λεπτομερής περιγραφή των παραμορφώσεων/σφαλμάτων που προέρχονται από δυσλειτουργείες στο hardware είναι πέρα από το πεδίο ενδιαφέροντος αυτής της εργασίας. Αντ 'αυτού, η ακόλουθη συζήτηση εστιάζεται στα σημαντικά σφάλματα τα οποία προκαλούνται από παράγοντες που κατά κύριο λόγο σχετίζονται με το αντικείμενο(ασθενή) προς απεικόνιση/εξέταση: την ανομοιομορφία του στατικού μαγνητικού πεδίου, την λεγόμενη χημική μετατόπιση σε περιοχές όπου γειτνιάζουν μόρια λίπους και νερού (chemical shift), την ροή και την κίνηση. Παραμόρφωση Εικόνας Παράκλιση του RF και εμφάνιση τετραγωνισμένου ειδώλου /RF Offset and Quadrature Ghost RF θόρυβος Αιτία Αποτυχία του κυκλώματος ανίχνευσης RF Αποτυχία της θωράκισης του RF ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 52

54 Ανομοιογένεια στο βασικό Μεταλικά αντικείμενα παραμορφώνουν το μαγνητικο πεδίο στατικό πεδίο Λάθος στην εφαρμογή του Πρόβλημα σε κάποιο από τα μαγνητικά πεδία βαθμίδωσης πεδίου Gradient G Ανομοιογένεια στο RF Πιθανή αποτυχία στην λειτουργία του πηνίου RF ή και ύπαρξη μεταλικού αντικειμένου στον ασθενή. Μαγνητική επιδεκτικότητα Αντικείμενα στο πεδίο προβολής τα οποία έχουν υψηλότερη ή χαμηλότερη μαγνητική επιδεκτικότητα. Κίνηση Κίνηση του εξεταζόμενου κατά την διάρκεια της ακολουθίας. Ροή Μετακίνηση υγρών του σώματος κατά την διάρκεια της ακολουθίας. Χημική Διαφορετικό χημικό περιβάλλον ανάμεσα στους ιστούς του Μετατόπιση(Chemical ανθρώπινου σώματος Shift) Αναδίπλωση εικόνας Κακή επιλογή πεδίου προβολής (FOV) Μερική απεικόνιση όγκου Gibss Ringing Ηχώ του Gibbs Μαγική Γωνία Magic Angle Μεγάλου μεγέθους voxel Μικρός πίνακας για την εικόνα και έντονες ασυνέχειες σήματος σε μία εικόνα. Η γωνία μεταξύ του B 0 και Πίνακας 2-1 Η δυνατότητα να αντιληφθεί κάποιος τον τύπο της παραμόρφωσης έγγειται στην κατανόηση των βασικών αρχών που διέπουν τον μαγνητικο τομογράφο όπως το φυσικο φαινόμενο του μαγνητικου πυρηνικου συντονισμού,οι διάφορετικές ακολουθίες απόκτησης των σημάτων,ο μετασχηματισμός Fourier κι η επεξεργασία σημάτων γενικότερα.επιπλέον η εμπειρία παίζει πολύ σημαντικό ρόλο μια που κάθε σφάλμα δεν εκφράζεται/εκδηλώνεται με μοναδικό τρόπο. Παρακάτω περιγράφονται αναλυτικότερα,τα συνηθέστερα και σημαντικότερα σφάλματα σε εικόνες μαγνητικής τομογραφίας,ενώ αναφέρονται σε ορισμένες περιπτώσεις και τρόποι αποφυγής τους. Απόκλιση του DC και εμφάνιση τετραγωνισμένου ειδώλου /RF Offset and Quadrature Ghost Η παραμόρφωση λόγω DC απόκλισης είναι μία από τις δύο πιθανές που συνδέονται με τον ανιχνευτή ραδιοσυχνότητας (RF). Ο ανιχνευτής RF αναφέρεται και ως ανιχνευτής quadrature. Η παραμόρφωση προκαλείται από αντιστάθμιση DC τάσης στον έναν ή και στους δύο από τους ενισχυτές σήματος στον ανιχνευτή. Γνωρίζουμε πως ο μετασχηματισμός Fourier ενός DC σήματος με απόκλιση στο πεδίο του χρόνου είναι μία αιχμή στην μηδενική συχνότητα.επίσης, ο FT ενός σήματος στο πεδίο του χρόνου με μια απόκλιση DC είναι ο FT οποιουδήποτε σήματος το οποίο έχει την ίδια μηδενική συχνότητα κορυφής.έτσι τα δεδομένα που περιέχονται στον K-space,από ένα τέτοιο σήμα,που έχει μία απόκλιση DC δίνει την ίδια μηδενική συχνότητα αιχμής κατά τον μετασχηματίσμό Fourier. Συνεπώς, κατα την μετατροπή εμφανίζεται ένα φωτεινό σημείο ακριβώς στο κέντρο της εικόνας,όπου δεν θα έπρεπε να υπάρχει. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 53

55 Σχήμα 2-27: Εμφάνιση φωτεινού σημείου στο κέντρο της εικόνας. Ο δεύτερος τύπος παραμόρφωσης που συνδέεται με την λήψη RF είναι η εμφάνιση ειδώλου.αυτό το σφάλμα προκαλείται από μια αναντιστοιχία στο κέρδος του πραγματικού και φανταστικού κανάλιων του quadrature ανιχνευτή. Για να μην δημιουργηθουν σφαλματα στο μετασχηματισμό Fourier, το κέρδος από τις δύο σειρές των διπλά αντισταθμισμένων/ισορροπημένων μικτών /αναμικτήρες, τα φίλτρα και οι ενισχυτές των πραγματικών και φανταστικών κανάλιων του quadrature ανιχνευτή θα πρέπει να έχουν ταυτόσημες αποδόσεις. Όταν δεν συμβαίνει αυτό, ο μετασχηματισμός Fourier μπορεί να έχει μια μικρή αρνητική συνιστώσα σε οποιαδήποτε από τις συχνότητες που υπάρχουν στο σήμα. Αυτό το μικρό αρνητικό στοιχείο σε κάποια συχνότητας προκαλεί είδωλα των αντικειμένων διαγώνια στην εικόνα. Σχήμα 2-28: Παραδειγμα παραμορφωσης σε εικόνα όπου το σήμα διαφέρει κατα 50%. RF θόρυβος Μια αποτυχία της RF θωράκισης που αποτρέπει τον εξωτερικό θόρυβο από το να εισέλθει στον ανιχνευτή είναι η αιτία μιας παραμόρφωσης λόγω θορύβου στο πηνίο RF. Η μορφή του σφάλματος στην εικόνα εξαρτάται από την πηγή του θορύβου και όπου εισάγεται μέσα στο σήμα. Πολλά μπορεί να αντληθούν σχετικά με την πηγή του θορύβου RF από τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier της εικόνας. Για παράδειγμα, ένα φωτεινό σημείο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 54

56 κάπου στην εικόνα μπορεί να προκληθεί από μία μόνο συχνότητα που διαρρέει μέσα στο σήμα. Σχήμα 2-29 : Εικόνα που περιέχει δύο διαφορετικές παραμορφώσεις λόγω θορύβου στο πηνίο RF,τις διαγώνιες γραμμές σε όλη την εικόνα και οι οριζόντιες γραμμες οι οποίες σημειόνονται αποτα βελάκια. Ανομοιογένεια στο βασικό στατικό πεδίο Β 0 Υποθετικά,ο μαγνητικός τομογράφος παράγει ένα ομοιογενές μαγνητικό πεδίο Bo. Ένα ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο Bo προκαλεί παραμορφωμένες εικόνες. Οι στρεβλώσεις μπορεί να είναι είτε χωρικές,είτε στην ένταση, ή και τα δύο. Στρεβλώσεις στην ένταση της εικόνας προκύπτουν από την ομοιογένεια πεδίου σε μια θέση η οποία είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από ότι στο υπόλοιπο του απεικονιζόμενου αντικειμένου. Αν η Τ2 * σε μια περιοχή είναι διαφορετική,τότε και το σήμα θα τείνει να είναι διαφορετικό. Για παράδειγμα, εάν η ομοιογένεια είναι μικρότερη, η Τ2 * θα είναι μικρότερη και το σήμα θα είναι μικρότερο. Χωρικές στρέβλωσεις προκαλούνται από πεδία κλίσης με μακρύα εμβέλεια μέσα στο Bo, που είναι σταθερά στο χρόνο. Προκαλούν τα spin να συντονίζονται σε συχνότητες Larmor, διαφορετικές από αυτές που καθορίζονται από την επιλεγμένη ακολουθία. Όπως φαίνεται στο σχήμα... αντιπροσωπεύει ένα τέλεια γραμμικό (μαύρο) και ένα διαστρεβλωμένο(κόκκινο) μονοδιάστατο μαγνητικό πεδίο κλίσης. Στην ιδανική περίπτωση, το spin ενός ατόμου σε μια συγκεκριμένη θέση x θα πρέπει να αντιστοιχεί σε μια σταθερή τιμή μαγνητικού πεδίού και σε μία μόνο συχνότητα. Σε μία παραμορφωμένη βαθμίδωση, δεν υπάρχει γραμμική σχέση μεταξύ θέσης χ και συχνότητας ν. Επειδή όμως πρέπει να υπάρχει γραμμική αντιστοιχία κατά την διαδικασία απεικόνισης, η προκύπτουσα εικόνα είναι παραμορφωμένη. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 55

57 Σχήμα 2-30 :Γραμμικό (μαύρο) και διαστρεβλωμένο (κόκκινο) μονοδιάστατο μαγνητικό πεδίο κλίσης. Πεδία κλίσης /Gradient Οι παραμορφώσεις που προκύπτουν από προβλήματα με τα πεδία κλίσης είναι μερικές φορές πολύ παρόμοιες με εκείνες που προέρχονται από την ανομοιογένεια του στατικου πεδίου Bo. Μία βαθμίδα που προκαλεί ενίσχυση του πεδίου η οποία δεν είναι σταθερή κατά την κατεύθυνση της κλίσης θα διαστρεβλώσει μια εικόνα. Αυτό είναι συνήθως δυνατό μόνο εάν ένα πηνίο κλίσης (gradient coil) έχει υποστεί ζημιά. Άλλα σφάλματα που σχετίζονται με την κλίση οφείλονται σε μη φυσιολογικά αναμενόμενα ρεύματα που αναπτύσονται στα πηνία κλίσης. Σχήμα 2-31 : Σε αυτή την εικόνα η κωδικοποίηση συχνότητας (αριστερά / δεξιά κωδικοποίηση) κλίσης λειτουργεί κατά το ήμισυ της αναμενόμενης αξίας του. Ανομοιογένεια στο RF Παραμόρφωσεις λόγω ανομοιογένειας RF δημιουργούνται από την παρουσία μιας ανεπιθύμητης διακύμανσης στην ένταση του σήματος σε όλη την εικόνα. Η αιτία είναι είτε ένος ανομοιόμορφου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 56

58 πεδίου Β1 ή μια ανομοιόμορφη ευαισθησία σε κάποιο από τα πηνία λήψης. Μερικά RF πηνία, όπως τα επιφανειακά πηνία, έχουν εκ κατασκευής διαφορές στην ευαισθησία και θα εμφανίζεται πάντα κάποιου είδους παραμόρφωση. Η παρουσία αυτού του σφάλματος σε άλλα πηνία όμως, μεταφράζεται σε ύπαρξη κάποιου προβληματικού στοιχείου στο πηνίο RF ή την παρουσία κάποιου μετάλλου(μαγνητικού υλικού ) στο απεικονιζόμενο αντικειμένου. Για παράδειγμα, ένα μεταλλικό αντικείμενο που εμποδίζει την απόδοση RF σημάτων σε έναν ιστό, θα προκαλέσει μία κενή περιοχή σε μια εικόνα. Σχήμα 2-32: Στην παραπάνω εικόνα του κεφαλιου, περιέχεται μία παραμόρφωση λόγω ανομοιογένειας RF στην περιοχή του στόματος. (Βλέπε βέλος.) Ο ασθενής έχει μια μεγάλη ποσότητα μη φερρομαγνητικού μεταλλικού από οδοντιατρικές εργασίες στο στόμα. Το μέταλλο θωρακίζει τις περιοχές κοντά στο στόμα από τα RF παλμούς δημιουργώντας έτσι ένα κενό στην εικόνα. Από την άλλη δεν επηρεάζει σημαντικά το στατικό πεδίο. Ως εκ τούτου, η εικόνα του εγκεφάλου δεν είναι σημαντικά παραμορφωμένη. Μαγνητική Επιδεκτικότητα Σφάλμα λόγω μαγνητικής επιδεκτικότητας προκαλείται από την παρουσία ενός αντικειμένου στη περιοχή προβολής (FOV) με υψηλότερη ή χαμηλότερη μαγνητική επιδεκτικότητα. Η μαγνητική επιδεκτικότητα του υλικού είναι ένα μέτρο του κατά πόσον ένα εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί ένα μεγαλύτερο ή μικρότερο πεδίο εντός του υλικού. Υλικά τα οποία είναι διαμαγνητικά έχουν ελαφρώς μικρότερο πεδίο από ό, τι σε ένα κενό, ενώ παραμαγνητικά υλικά έχουν ένα ελαφρώς μεγαλύτερο πεδίο. Σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν ένα πολύ υψηλότερο πεδίο. Ως εκ τούτου, τα πεδία είναι ισχυρότερα ή πιο αδύναμα σε διάφορες τοποθεσίες γύρω από τέτοια αντικείμενα. Αυτή η παραμόρφωση μπορεί να λάβει χώρα σε όλα τα πεδία που δημιουργούνται από το μαγνητικό τομογράφο. Συχνά, το σφάλμα ευαισθησίας προκαλείται από μέταλλο, όπως τιτάνιο ή ανοξείδωτο χάλυβα, σε κάποια περιοχή μέσα στο σώμα. Τέτοιου είδους αντικείμενα προκαλούν επιπλέον σφάλματα, όπως η παραμόρφωση λόγω ανομοιογένειας RF. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 57

59 Σχήμα 2-33: Στην εικόνα φαίνεται μία περιοχή με ομοιογενές μαγνητικό πεδίο εντός του οποίου έχει τοποθετηθεί ένα αντικείμενο με υψηλότερη μαγνητική επιδεκτικότητα. Ως αποτέλεσμα, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου λυγίζουν προς το αντικείμενο. Κίνηση Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι παραμορφώσεις κίνησης προκαλούνται από την κίνηση του απεικονιζόμενου ασθενούς ή ενός τμήματος/μέλους του σώματος του αντικειμένου κατά τη διάρκεια της ακολουθίας απεικόνισης. Η κίνηση ολόκληρου του αντικειμένου κατά την ακολουθία απεικόνισης γενικά καταλήγει σε ένα θόλωμα ολόκληρης της εικόνας με εικόνες ειδώλων (Ghost) στην κατεύθυνση κωδικοποίησηw φάσης. Κίνηση ενός μικρού τμήματος των απεικονιζόμενου ασθενούς έχει ως αποτέλεσμα σε ένα θόλωμα του εν λόγω μικρόυ τμήματος αλλά κατά μήκος όλης της εικόνας.η παρακάτω εικόνα εξηγεί την αρχή που προκαλεί την παραμόρφωση λόγω κίνησης. Σχήμα 2-34:(A) απεικόνιση ενός spin (ιδιοστροφορμή) (Β)Το κεντρικό κομμάτι του των πρωταρχικών δεδομένων(raw data) του άξονα M X θα απεικονίζεται κάπως έτσι. (Γ)Κωδικοποίηση στον άξονα της συχνότητας δίνει μια τιμή συχνότητας η οποία με μετασχηματισμό Fourier παρουσιάζει μια τιμή. (Δ)Ως Συναρτήση της φάσης φαίνεται πιο ξεκάθαρα με την απεικόνιση από κυμάτωση (Ε)O M/T Fourier στην κωδικοποίηση φάσης εντέλει επιστρέφει το spin του στο ίδιο χωρικά σημείο. (Ζ)Το ίδιο παράδειγμα απλά το spin μετακινείται από το Α στο Β κατά τον άξονα κωδικοποίσης της συχνότητας (Η)Τώρα θα χουμε διαφορετικά πρωταρχικά δεδομένα. (Θ)Ο Μ/Τ Fourier στη συχνότητα δίνει δύο ταλαντώσεις. (Ι)Και πιο ξεκάθαρα φαίνονται οι δύο διαφορετικές κυματώσεις στο πεδίο της φάσης(κ)ο Μ/Τ Fourier στον άξονα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 58

60 κωδικοποίησης φάσης δίνει πολλαπλές απεικόνισεις σε δύο διαφορετικές συχνότητες,μια που ο Μ/Τ fourier ενός truncated sine wave είνια μια συνάρτηση sinc. Της οποίας όλες οι κορυφές γίνονται θετικές κατά την καταχώρυση των δεδομένων. Η λύση των σφαλμάτων εικόνας που προκαλούνται λόγω κίνησης είναι προφανώς η η ακινητοποίηση του ασθενούς. Πολύ συχνά όμως η κίνηση προκαλείται λόγω φυσιολογικής κινησιολογίας του σώματος,η οποία δε μπορεί να εξαλειφθεί/διακοπεί. Η αναπνοή, η παλλόμενη καρδιά και ο περισταλτισμός μπορούν να προκαλέσουν παραμορφώσεις κίνησης σε μια εικόνα MR. Ο αριθμός και η σοβαρότητα των παραμορφόσεων εξαρτάται από την συχνότητα της κίνησης, που μπορεί να είναι από μόλις λίγα υψηλής έντασης είδωλα λόγω κίνησης του θωρακικού τοιχώματος, σε ένα γενικευμένο χαμηλής έντασης θόλωμα λόγω της μη περιοδικής κίνησης των εντέρων.(βλέπε σχήμα 2-36(Γ)) Σχήμα 2-36:Παραμορφώσεις λόγω (A) Αναπνοής (Β)Καρδιακής λειτουργίας (Γ) Κίνησης των εντέρων Η διαδικασίας επίλυσης σε αυτές τις περιπτώσεις είναι ο συγχρονισμός της ακολουθίας απεικόνισης με τον καρδιακό ή αναπνευστικό κύκλο του ασθενούς. Για παράδειγμα, εάν η κίνηση προκαλείται από την σφυγμική κίνηση του αίματος μέσα σε μία αρτηρία, η στιγμη απόκτησης των βημάτων στην κωδικοποίηση φάσης πρέπει να προγραμματιστεί να λαμβάνει χώρα σε ένα καθορισμένο σταθερό χρόνο μετά τo R-κύμα του καρδιακού κύκλου. Με τον τρόπο αυτό, η αρτηρία θα απεικονίζεται πάντα στην ίδια θέση(σχήμα 2-37). Σχήμα 2-37 : Συγχρονισμός απόκτησης MR σήματος με τον καρδιακό κύκλο. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 59

61 Παρόμοιός συγχρονισμός μπορεί να γίνει και στον αναπνευστικό κύκλο. Ένα μειονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι η επιλογή του TR (χρόνος επανάληψης των παλμών διέγερσης) προσδιορίζεται από τον ρυθμό της καρδιάς ή τον ρυθμό αναπνοής κι όχι σε συνδυασμό. Για σαρώσεις στο στήθος, την καρδιά και την κοιλιά, οι παραμορφώσεις σαφώς πρέπει να περιορίζονται στο ελάχιστο, προκειμένου να παραχθούν διαγνωστικές εικόνες, αλλά παραδόξως υπάρχουν επίσης άλλες ανατομικές περιοχές όπου η χρήση των διαδικασιών αποφυγής /διόρθωσης των παραμορφώσεων κίνησης βελτιώνει την ποιότητα της εικόνας. Για παράδειγμα, σάρωση στην περιοχή του βραχιόνιου πλέγματος δίνει καλύτερα αποτελέσματα με χρήση συχρονισμού με την καρδιά ή την αναπνοή (respitory and cardiac gating) αν και οι συγκεκριμένες κινήσεις δεν μπορούν να παρεμβαίνουν άμεσα με την περιοχή. Οι τεχνικές απεικόνισης έχουν που έχουν σχεδιαστεί για να αφαιρούν τα σφάλματα κίνησης έχουν λαβει διαφορετικά ονόματα από τους διάφορους κατασκευαστές μαγνητικών τομογράφων. Για παράδειγμα, το respiratory-ordered phase encoding (ROPE). Ροή Τα σφάλματα λόγω ροής προκαλούνται από το ρέον αίμα ή άλλα κινούμενα υγρά του σώματος. Ένα υγρό που ρέει διαμέσου μιας τομής μπορεί να δεχθεί ένα παλμό RF και στη συνέχεια ρέει έξω από την τομή τη στιγμή που το σήμα καταγράφεται. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας μία spinecho ακολουθία για την απεικόνιση μιας τομής,έστω ότι παίρνουμε το διάγραμμα και την πλάγια όψη της τομής που φαίνονται στο σχήμα Κατά τη διάρκεια επιλογής της τομής, οι πυρήνες υδρογόνου του αίματος που βρίσκεται στην τομή δέχονται άνα RF παλμό,ο οποίος περιστρέφει την κάθε στοιχειώδη μαγνητική ροπή κατά 90. Πρωτού όμως εφαρμοσθεί ο παλμός 180 0, το αίμα που είχε διεγέρθει με παλμό 90 μπορεί να έχει βρεθεί έξω από την τομή,έτσι δεν αποδίδει σήμα. Στην δεύτερη περίπτωση μη απόδοσης σήματος,οι πυρήνες μέσα στην τομή διεγείρονται με έναν παλμό 180 0,έτσι Ωστόσο το αίμα στην φέτα έχει μαγνήτισης του κατά μήκος + Ζ πριν από τον παλμό και κατά μήκος-ζ μετά τον παλμό. Είναι ως εκ τούτου παράλληλη στο στατικό πεδίο B 0 και στις δύο περιπτώσες και δεν αποδίδει σήμα. Το παραπάνω φαινόμενο είναι γνωστό ως time of flight phenomenon. Το αποτέλεσμα είναι ότι το αιμοφόρα αγγεία που γνωρίζουμε ότι περιέχουν μια υψηλή συγκέντρωση πυρήνων υδρογόνου δεν αποδίδουν κανένα σήμα. Σχήμα 1-38: Το φαινόμενο time of flight. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 60

62 Σε μια ακολουθία πολλαπλών τομών, οι φέτες μπορούσαν να τοποθετηθούν έτσι ώστε το αίμα που δέχεται έναν 90 παλμό σε μία τομή να μπορεί να ρέει σε μια άλλη φέτα όπου να δέχεται ένα παλμό 180 και στην συνέχεια σε ένα τρίτο και συνδυαστικά να συμμετέχουν στην διαμόρφωση του επιστρεφόμενου παλμού / ηχώ. Σε αυτή την περίπτωση το αιμοφόρο αγγείο αποδίδει /επιστρέφει ένα σήμα υψηλής έντασης. Πιο συγκεκριμένα το σήμα που θα αποδωθεί εξαρτάται απο το ιστορικό της διέγερσης (Entry slice phenomenon) των πυρήνων,οι ήδη διεγερμένοι πυρήνες δίνουν διαφορετικό σήμα απο τούς πυρήνες που διεγείρονται για πρώτη φορά και από το αν η φορά των διαδοχικών τομών είναι ίδια (Co-current flow /ταχύα απόσβεση του entry slice φαινομένου ) ή αντίθετη(counter current flow/αργή απόσβεση του entry slice φαινομένου) με την φορά ροής του αίματος. Το αποτέλεσμα είναι συνήθως οτι μερικές τομές απεικονίζουν αιμοφόρα αγγεία με χαμηλή ένταση σήματος και άλλες έχουν υψηλή ένταση σήματος. Σχήμα 2-39 Σχήμα 2-40: Εδώ είναι ένα παράδειγμα από μία αξονική τομή των κάτω άκρων. Παρατηρήστε ότι τα αιμοφόρα αγγεία φαίνονται μαύρα, ακόμη και αν αυτά περιέχουν μεγάλη ποσότητα νερού κι άρα πυρήνων υδρογόνου. Χημική Μετατόπιση(Chemical Shift) Μια γενική κατάταξη των ιστών του ανθρώπινου σώματος βάση των χαρακτηριστικών που μας ενδιαφέρουν στην απεικόνιση μέσω μαγνητικης τομογραφίας,είναι σε ιστούς με βάση το λίπος και σε ιστούς με βάση το νερό. Σε όλες τις εικόνες MR ανιχνεύουμε σήματα από πρωτόνια ( πυρήνες από άτομα υδρογόνου )τα οποία περιέχονται και στα δύο είδη ιστών,όμως το λίπος και το νερό έχουν πολύ διαφορετικές χημικές δομές.γεγονός,που προκαλεί σφαλμάτα γνωστά ως χημική μετατόπιση (Chemical Shift) και Chemical misregistration. Το νερό αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου κι αποτελεί ένα μικρό σε μέγεθος μόριο. Από την άλλη το λίπος αποτελείται από αλυσίδες τριγλυκερίδιων, μεγάλες σειρές των ατόμων άνθρακα που το καθένα συνδέεται με δύο άτομα υδρογόνου και άπο τις δύο πλευρές του.επομένως τα μόρια λίπους είναι πολύ μεγάλα σε μέγεθος και κάθε άτομο υδρογόνου που περιέχεται σε αυτά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 61

63 περιβάλλεται από πολλά άλλα άτομα.έτσι, τα γειτονικά σύννεφα ηλεκτρονίων μειώνουν την επίδραση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και τα άτομα υδρογόνου στο λίπος συντονίζονται σε μια χαμηλότερη συχνότητα Larmor από εκείνα του νερόυ,τα οποία δεν έχουν μια τέτοια θωράκιση(σχήμα2-40). Αυτή η διαφορά είναι γνωστή ως χημική μετατόπιση,προσμετράται σε μέρη ανά εκατομμύριο (ppm) και είναι εξάρταται από το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου. Σχήμα 2-41 ο ορισμός της χημικής μετατόπισης, δ, είναι δ = (ν - ν REF ) Χ 10 6 / ν REF (εξ.2-12) όπου ν είναι η συχνότητα συντονισμού ενός πυρήνα και ν REF η συχνότητα συντονισμού ενός πυρήνα αναφοράς. Η διαφορά στην χημική μετατόπιση μεταξύ δύο πυρήνων αναφέρεται ως 1 και 2 είναι δ2 - δ1 = (ν2 - ν1) x10 6 / ν REF (εξ.2-13) η οποία είναι περίπου ίση με (v2 - ν1) Χ 10 6 / γbo Η διαφορά στην χημική μετατόπιση του νερού και του υδρογόνου του λιπώδους ή με λιπαρή υφή ιστού είναι περίπου 3,5 ppm που για B 0 1,5 Tesla αντιστοιχεί σε μία διαφορά συχνότητας συντονισμού μεταξύ λίπους και νερού περίπου 220 Ηz. Κατά τη διαδικασία επιλογής τομής υπάρχει μία ελαφρά μετατόπιση μεταξύ των θέσεων των περιστροφών πυρήνων λίπους και νερού που έχουν διεγερθεί από ένα παλμό RF. Κατά τη κωδικοποίησης φάσης οι ιδιοστροφές /σπιν λίπους και νερού αποκτούν φάση σε διαφορετικούς ρυθμούς. Το αποτέλεσμα είναι ότι το λίπος ( λιπαρές ουσίες )και νερό που βρίσκονται στο ίδιο voxel καταγράφονται σαν να βρίσκονται σε διαφορετικά voxels. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι ότι το λίπος και το νερό που βρίσκεται στο ίδιο voxel και κωδικοποιούνται σαν να βρίσκονται σε διαφορετικά voxels. [22] Το εύρος συχνοτήτων δειγματοληψίας, rbw,είναι ένας από τους παράγοντες που ελέγχει χημική μετατόπιση,όπως επίσης και τον λόγο SNR. Το rbw καθορίζει το φάσμα των συχνοτήτων που πρέπει να χαρτογραφηθεί κατά μήκος είτε 512 ή 256 εικονοστοιχείων στην κατεύθυνση συχνότητας του FOV. Αυτή επιλέγεται για να λάμβάνει σήματα με συχνότητες ελαφρώς υψηλότερες ή χαμηλότερες από την κεντρική συχνότητα. και συνήθως μετριέται σε KHz (kilohertz ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 62

64 ). Σε 1.5T με σταθερο πεδίο εύρος ζώνης του + / -16 KHz σε κάθε πλευρά της κεντρικής συχνότητας, κάθε πίξελ περιέχει ένα εύρος συχνοτήτων είτε 125 Hz ή 62,5 Hz, ανάλογα με τον πίνακα συχνοτήτων (Σχήμα 2-42 πάνω). Όταν το λίπος και το νερό συνυπάρχουν σε ένα ιστό του ασθενούς, η διαδικασία κωδικοποίησης συχνότητας τοποθετεί το υδρογόνο του λίπους αρκετά Hz χαμηλότερα από το υδρογόνο στο νερού. Επομένως εμφανίζονται σε διαφορετικές εικονοστοιχεία της εικόνας, παρά το γεγονός οτι συνηπαρχουν στον ίδιο ιστό. Καθώς το εύρος ζώνης συχνοτήτων του δέκτη μειώνεται, λιγότερες συχνότητες κατατάσονται/χαρτογραφούνται στον ίδιο αριθμό εικονοστοιχείων. Ως αποτέλεσμα το σφάλμα λόγω χημικής μετατόπισης αυξάνεται (Σχήμα 2-42 κάτω). Τέλος, ένας λόγος για να χρησιμοποιηθεί μεγαλύτερο εύρος συχνότητων δειγματοληψίας είναι ώστε ελαχιστοποιηθεί το σφάλμα χημικής μετατόπισης.η σχέση μεταξυ rbw και συχνότητας δειγματοληψίας f s είναι : rbw=fs/n (εξ.2-14) όπου Ν ο αριθμός των δειγματων Σχήμα 2-42 : Σφάλμα χημικής μετατόπισης σε μαγνητικό τομογράφο 1,5 T (πάνω) και με μειωμένο εύρος ζώνης συχνοτήτων δέκτη (κάτω). ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 63

65 Σχήμα 2-43: Εικόνα μαγνητικής τομογραφίας από την περιοχή της κοιλίας με εύρος ζώνης συχνοτήτων δέκτη Hz (πάνω)και 8000 Hz (κάτω).το βέλος δείνει το σφάλαμ χημικής μετατόπισης στα όρια του αριστερού νεφρού. Το σφάλμα χημικής μετατόπισης σε μονάδες απόστασης του FOV είναι δ γ Bo FOV / fs και δ γ Bo NPTSf / fs σε εικονοστοιχεία όπου NPTSf είναι ο αριθμός των εικονοστοιχείων κατά μήκος της κατεύθυνσης κωδικοποίησης συχνότητας.για ένα σταθερό ρυθμό δειγματοληψίας, όσο μεγαλύτερο είναι Bo, τόσο μεγαλύτερη είναι το σφάλμα. Για 1,5 Μ και ένα 16 khz ρυθμό δειγματοληψίας, το αποτέλεσμα είναι 3.58 pixels. Ενώ στα 3,0 Μ και ένα 16 khz ρυθμό δειγματοληψίας, το αποτέλεσμα είναι 7,15 pixels (σχεδόν διπλασιάζεαται ). Το τεχνικό σφάλμα λανθασμένης καταχώρησης λόγο χημικής μετατόπισης Chemical misregistration προκαλείται από τη διαφορά στην προεπεξεργαζόμενη συχνότητα του λίπους και του νερού που οδηγεί τις μαγνητικές ροπές των πυρήνων υδρογόνου τους να είναι σε φάση μεταξύ τους ορισμένες φορές και εκτός φάσεως άλλες.οταν τα σήματα από το λίπος και το νερό είναι εκτός φάσεως, αυτά αλληλοεξουδετερώνονται, με αποτέλεσμα απώλεια σήματος (Σχήμα 2-44). Αν μια εικόνα παράγεται όταν το λίπος και το νερό είναι εκτός φάσεως,εμφανίζεται αυτή η ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 64

66 παραμόρφωση.το χρονικό διάστημα ώστε μαγνητικές ροπές των πυρήνων υδρογόνου του λίπους και νερού να είναι σε φάση ονομάζεται η περιοδικότητα, που εξαρτάται από την μετατόπιση συχνότητας και επομένως από την ένταση του σταθερού μαγνητικού πεδίου. Σε μαγνητικό τομογράφο 1.5T η περιοδικότητα είναι 4,2 ms. Σε χαμηλότερες εντάσεις πεδίου η περιοδικότητα λίπους και νερόυ είναι συντομότερη.σε μια εικόνα που παράγεται όταν τα σήματα είναι εκτός φάσης δημιουργούνται ασύμμετρες καταλήξεις στα άκρα της,λόγω της επίδρασης στην κωδικοποίηση φάσης. Αυτή η παραμόρφωση επέρχεται κυρίως κατά μήκος του άξονα φάσης και προκαλεί μια σκοτεινή δακτύλιο γύρω από τις δομές που περιέχουν και λίπος και νερό. Είναι πιο διαδεδομένη σε ακολουθίες Gradient Echo. Σχήμα 2-44 Τα πιο χαρακτηριστικά διορθωτικά μέτρα είναι η χρήση SE ή FSE / TSE ακολουθίες παλμών (που χρησιμοποιούν παλμούς RF για rephasing ). Χρησιμοποιήστε μια ΤΕ που ταιριάζει με την περιοδικότητα του λίπους και ύδατος, έτσι ώστε η ηχώ(το σήμα που επιστρέφεται απο τους πυρήνες ) να δημιουργείται όταν το λίπος και το νερό είναι σε φάση. Η τεχνική Dixon περιλαμβάνει την επιλογή ΤΕ (χρόνος ηχούς) στο ήμισυ της περιοδικότητας έτσι ώστε το λίπος και το νερό είναι εκτός φάσεως. Με τον τρόπο αυτό το σήμα από το λίπος μειώνεται. Αυτή η τεχνική είναι αποτελεσματική κυρίως σε περιοχές όπου το νερό και το λίπος συνυπάρχουν σε ένα voxel. [20] Περιτύλιξη εικόνας Το σφάλμα περιτύλιξης εικόνας εμφανίζεται στην εικόνα όταν μέρος της ανατομίας του ασθενούς που θέλουμε να απεικονίσουμε συνεχίζεται έξω από το πεδίο προβολής (FOV) και πιο συγκεκριμένα, όταν ο ρυθμός δειγματοληψίας είναι μικρότερος από το φάσμα των συχνοτήτων στο προσμετρούμνο σήμα. Αυτό προκαλεί την εικόνα των ιστών ακριβώς έξω από το FOV να παράγεται στο αντίθετο άκρο της σάρωσης στην κατεύθυνση της κωδικοποίησης φάσης, όπως αν κάποιος περι τυλίγαι την εικόνα γύρω από έναν κύλινδρο.εντός του FOV, ένας πεπερασμένος αριθμός τιμών της φάσης από 0 έως 360, πρέπει να αντιστοιχίζεται σε FOV στην κατεύθυνση φάσεως.αυτό μπορεί να παρασταθεί ως μια «καμπύλη φάσης» που επαναλαμβάνεται σε είτε πλευρά του FOV στην κατεύθυνση φάσεως. Λόγω του πεπερασμένου αριθμού στις τιμές φάσης, το σήμα που προέρχεται από το Χ έχει την ίδια τιμή φάσης με το σήμα που προέρχονται από Y επειδή, είναι και τα δύο στην ίδια θέση στην καμπύλη φάσης (Σχήμα 2-45). Υπάρχει επομένως μία αλληλεπικάλυψη των τιμών φάσης για ανατομία εντός και εκτός της FOV (undersampling). Η περιοχή της εικόνας που παράγεται στο αντίθετο άκρο μπορεί να επικαλύπτει την πραγματική ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 65

67 ανατομία που σαρώνεται και να προκαλεί προκαλει πρόβλημα στη διάγνωση. Το σφάλμα αυτό συναντάται κυρίως στην κωδικοποίηση φάσης, αλλά εμφανίζεται και σε 3-D απεικόνιση τομών. Ένας τρόπος μείωσης της περιτύλιξης εικόνας είναι να διεγερθεί η περιοχή παραγωγής σημάτων έξω από το πεδίο προβολής με τη χρήση χωρικών ζωνών εφαρμογής παλμών διέγερσης 90,λίγο πριν την εκκίνηση της βασικής ακολουθίας. Ωστόσο δεν αποτελεί μια επιτυχημένη μέθοδο. Μία πιο αξιόπιστη μέθοδος είναι η χρήση υπερδειγματοληψίας φάσης. Η τεχνική αυτή αυξάνει την FOV στην κατεύθυνση κωδικοποίησης φάσης και παράλληλα αυξάνει των αριθμότων βήματα στην κωδικοποίησης φάσης έτσι ώστε το μέγεθος του pixel να παραμένει ίδιο. Η απλούστερη εφαρμογή της υπερδειγματοληψίας φάσης είναι απλά να διπλασιάστει το μέγεθος του πίνακα για την κωδικοποίηση φάσης (ΝΡΕ) και επίσης να διπλασιαστεί κι η FOV, πολλοί σύγχρονοι μαγνητικοί τομογράφοι επιτρέπουν η υπερδειγματοληψία φάσης να καθοριστεί σε ένα ποσοστό/μέρος της FOV, το οποίο βελτιστοποιεί την τεχνική.έτσι, η περιοχή έξω από την επιθυμητή FOV είναι τώρα σωστά κωδικοποιημένα κατά φάση, και τα ανεπιθύμητα τμήματα μπορούν απλά να αποκοπούν από τον υπολογιστή αφήνοντας μια καθαρή εικόνα. Βέβαια,η αύξηση μεγέθους του πίνακα για την κωδικοποιηση φάσης αυξάνει τον χρόνο σάρωσης και αυξάνει τον θόρυβο. (Α) (Β) Σχήμα 2-45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 66

68 Σχήμα 2-46: Σε αυτήν την οβελιαία τομή του εγκεφάλου, η μύτη εκτείνεται πέραν του πεδίου οράσεως στα αριστερά, και η θέση του απεικονιζόμενου είναι τυλιγμένο γύρω και εμφανίζεται στα δεξιά της εικόνας. Από την άποψη της συχνότητας και ρυθμός ψηφιοποίησης, η μύτη βρίσκεται σε μία θέση που έχει μια μεγαλύτερη συχνότητα συντονισμού από ό, τι το ποσοστό ψηφιοποίησης. Κατά συνέπεια, είναι τυλιγμένο γύρω από, και φαίνεται στο δεξιό άκρο της εικόνας. Μερική απεικόνιση όγκου Σε γενικές γραμμές, ο όρος σφάλμα μερικού όγκου περιγράφει κάθε παραμόρφωση που εμφανίζεται όταν το μέγεθος του voxel είναι μεγαλύτερο από το μέγεθος του χαρακτηριστικού που πρόκειται να απεικονιστεί. Για παράδειγμα, αν σε ένα μικρό voxel περιέχεται σήμα μόνο από ιστούς λίπους ή νερού, σε ένα μεγαλύτερο voxel στην ίδια περιοχή μπορεί να περιέχει ένα συνδυασμό των δύο ιστών και ως αποτέλεσμα στο μεγάλο voxel να περιέλθει ίση ένταση του σήματος με το σταθμισμένο μέσο όρο της ποσότητας του νερού και του λίπους που υπάρχει στο voxel. Μια άλλη εκδήλωση αυτού του τύπου σφάλματος είναι η απώλεια της ανάλυσης που προκαλείται από την ύπαρξη πολλαπλών στοιχείων στο voxel μιας εικόνας. Για παράδειγμα, ένα μικρό αιμοφόρο αγγείο περνώντας διαγωνίως διαμέσου μια φέτας μπορεί να εμφανιστεί σε μία απότομη πάχους 3 mm φέτα, αλλά παραμορφωμένη και θολή σε φέτα 5 ή 10 χιλιοστών.η λύση σε ένα σφάλμα μερικού όγκου είναι η χρήση ένος μικρότερου voxel, εντούτοις αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερους λόγους σήματος-προς-θόρυβο στην εικόνα(snr). Σχήμα 2-47: Εδώ βλέπουμε μια σύγκριση από δύο εγκάρσιες τομές,από την ίδια περιοχή του εγκεφάλου. Η αριστερή έχει πάχος τομής 3 mm ενώ η δεξιά 10 mm. Η απώλεια ανάλυσης στην δεξιά εικόνα είναι εμφανής. Παραμόρφωση του Gibbs Η παραμόρφωση του Gibbs (Gibbs artifact), επίσης γνωστό ως παραμόρφωση περικοπής ή κουδούνισμα, είναι μια άλλη συνέπεια υποδειγματοληψίας στην κατεύθυνση κωδικοποίησης φάσης (αλλά και μερικές φορές στην κατεύθυνση κωδικοποίησης συχνότητας). Εμφανίζεται σε υψηλής αντίθεσης όρια, όπου η ένταση μεταβάλλεται από φωτεινό σε σκοτεινό, και εμφανίζεται ως μια σειρά από εναλλασσόμενα φωτεινές και σκοτεινές γραμμές τοποθετημένες πάνω στην εικόνα. Η ένταση των γραμμών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 67

69 εξασθενίζει καθώς απομακρυνόμαστε από το όριο, και ακολουθούν τις καμπύλες του περιβάλλοντος. Ένα κοινό παράδειγμα είναι σε Τ1-εικόνες της αυχενικής μοίρας της σπονδυλικής στήλης (σχήμα 2-48(Α)), όπου μπορεί να μιμηθεί την εμφάνιση της συριγγομυελίας. Η παραμόρφωση Gibbs προκαλείται λόγω μικρού πίνακα απόκτησης δεδομένων για την κωδικοποίηση φάσης, δηλαδή το μέγεθος εικονοστοιχείου είναι υπερβολικά μεγάλο για να απεικονήσει με ακρίβεια την περιοχή του σύνορου με υψηλή αντίθεση. Είναι πιο συχνά ένα πρόβλημα με τον πίνακα απόκτησης δεδομένων για την κωδικοποίηση φάσης, ο οποίος είναι γενικά μικρότερος από αυτόν για την κωδικοποίση συχνότητας,ώστε να μειωνεται ο χρόνος σάρωσης. Κατά κανόνα,ο πίνακας απόκτησης δεδομένων για την κωδικοποίηση φάσης,δεν πρέπει ποτέ να είναι μικρότερος από το μισό αυτού της κωδικοποίσης συχνότητας. Αν το σφάλμα μειώνει τη διαγνωστική ποιότητα της εικόνας η σάρωση θα πρέπει να επαναληφθεί με ένα μεγαλύτερο πίνακα για την κωδικοποίηση φάσης (Σχήμα 2-48(Β)). (Α) (Β) Σχήμα 2-48: (A) Ένας μικρός πίνακας για την κωδικοποίηση φάσης μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση Gibbs,ανομοιόμορφες φωτεινές και σκοτεινές ζώνες κοντα σε περιοχή/όριο με υψηλή αντίθεση (B) Αυξάνοντας το μέγεθος του πίνακα για την κωδικοποίηση φάσης,μπορούμε να αποφύγουμε το σφάλμα Μαγική Γωνία Η διαδικασία της απεικόνισης λόγω του φαινομένου του μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού οφείλεται /στηρίζεται στην ελεύθερία των ατόμων να περιστραφούν και να ανατραπούν ελεύθερα στον ιστό. Στα στερεά αυτό δεν συμβαίνει. Κατά συνέπεια, η χημική μετατόπιση και η spin-spin σύζευξης εξαρτώνται από τον προσανατολισμό του μορίου. Η αλληλεπίδραση διπόλου (3cosθ 2-1) σε τέτοιες περιπτώσεις είναι μηδέν όταν η γωνία θ μεταξύ του Bo και του δίπολικού άξονα σε στερεά είναι Αυτή η αλληλεπίδραση προκαλεί σκοτεινές περιοχές σε περιοχές χόνδρων, όπου θ = ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 68

70 (*Προτείνεται η ανάγνωση του συγκεκριμένου υποκεφάλαιου να γίνει παράλληλα αφού πρώτα αναγνωστούν τα κεφάλαια 3 και 4,ωστε να κατανοηθεί καλύτερα) Διαχείρηση Εικόνων Οι περισσότερες εργασίες που αφόρούν την εικόνα στον τομέα της πληροφορικής μπορούν να κατηγοριοποιηθούν, με μια αρχική προσέγγιση στις εξής διαδικασίες : Παραγωγή εικόνας (image generation),τομέας που θα ασχοληθούμε λεπτομερειακά στην συνέχεια της εργασίας,επεξηγώντας ποια είναι η ακτινοβολούσα πηγή που χρησιμοποιείται στην μαγνητική τομογραφία και ο μηχανισμός "εκμετάλλευσης " για την τελική εικόνα. Η ανάλυση και επεξεργασία εικόνας,όλες οι διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για βελτίωση κι καλύτερη απεικόνιση,που αναλύσαμε στο παρόν κεφάλαιο,αναφέρεται και ως image manipulation. Η διαχείρηση εικόνας (image management),περιλαμβάνει μεθόδους όπως η απόθήκευση,η μεταφορά,η παρουσίαση, η συγκέντρωση κι η οργάνωση εικόνων με την μεγαλύτερη δυνατή ασφάλεια και διατήρηση της ποιότητας και της πληροφορίας που φέρει κάθε εικόνα. Τέλος, η μορφοποίηση της εικόνας (image integration),ο τρόπος με τον οποίο θα συνδυαστούν οι εικόνες με άλλες μορφές πληροφοριών ώστε να είναι πιο προσβάσιμες κι ευκολότερα "εκμεταλλέυσιμες ",όσον αφορά την ερμηνεία τους και την τελική διάγνωση για τον ασθενή. Οι δύο τελευταίες διαδικασίες δεν αποτελούν πεδίο θεωρητικής ενασχόλησης για την συγκεκριμένη εργασία.ωστόσο,επέιδη κάτα την περαιτέρω ανάπτυξη του κώδικα προστέθηκαν λειτουργείες όπως η αποθήκευση, η ταξινόμηση κι η διαχείρηση των εικόνων για κάθε γραφικό περιβάλλον(αναλυτική παρουσίαση για κάθε GUI στο κεφάλαιο 7) μια αναφορά στα βασικά συστήματα διαχείρησης εικόνων που χρησιμοποιούνται σήμερα.ενώ, για την μορφοποίηση εικόνας θα γίνει αναφορά στο πρότυπο Dicom το οποίο κατέχει κυρίαρχο ρόλο στην απεικονιστικη ιατρική χρησιμοποιείται από το μεγαλύτερο μέρος των μηχανημάτων σε όλα τα επίπεδα της και είναι ο τύπος που προτιμήθηκε(ως κύριος,αλλά όχι αποκλειστικός ) για την ανάπτυξη των προγραμματιστικων εφαρμόγων των προηγούμενων αλλά και της παρούσης εργασίας. [32] P.A.C.S Η επικοινωνία των ιατρικών απεικονιστικών εξετάσεων μέσα στα όρια ενός νοσοκομείου έχει ταυτιστεί με το PACS (Picture Archiving and Communication System Σύστημα Αρχειοθέτησης και Επικοινωνίας Απεικονιστικών Εξετάσεων) που εκτελεί όλες εκείνες τις λειτουργίες που προέκυψαν στην εποχή της ψηφιοποιημένης ιατρικής εικόνας.είναι ένα πολυσύνθετο, κατανεμημένο σύστημα (υλικό και λογισμικό) συγκέντρωσης, αποθήκευσης, διαχείρισης και διανομής ακτινολογικών εικόνων, το οποίο αποθηκεύει και χειρίζεται τις ψηφιακές πληροφορίες υπό μορφή δεδομένων εικόνας και κειμένου.αποτελείται από διαφορετικούς κόμβους (Η/Υ) που συνδέονται μέσω δικτύου και χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση, ανάκτηση, διανομή και παρουσίαση των ψηφιακών εικόνων, οι οποίες προέρχονται από τα ακτινλογικά μηχανήματα σάρωσης που υπαρχουν στο ακτινολογικό σύστημα ενός νοσοκομείου.το λογισμικό του PACS παρέχει συμβατότητα με τους περισσότερους υπολογιστές που είναι δυνατόν να χρησιμοποιούνται στην ιατρική και οι οποίοι συνεργάζονται με το πληροφοριακό σύστημα του νοσοκομείου (HIS) και το πληροφοριακό σύστημα του ακτινολογικού τμήματος (RIS). Οι πληροφορίες για τους ασθενείς και ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 69

71 τις ακτινολογικές διαγνώσεις μπορούν να προβληθούν με ακτινολογικές εικόνες οι οποίες εξαλείφουν την ανάγκη για αποθήκευσή τους σε έγγραφα ειδικού τύπου. Τα βασικά του μέρη είναι το σύστημα αποθήκευσης και αρχειοθέτησης εικόνων που είναι υπεύθυνο για τη συγκέντρωση, αποθήκευση, διαχείριση και διανομή των εικόνων από και προς τους άλλους κόμβους καθώς και το δικτυακό υπόβαθρο που διασυνδέει το σύστημα με τους υπόλοιπους κόμβους και μεταφέρει τα δεδομένα μεταξύ τους. Οι κόμβοι αυτοί είναι πηγές παραγωγής (λήψης) εικόνων (ιατρικά μηχανήματα, ψηφιοποιητές) και σταθμοί απεικόνισης και επεξεργασίας των εικόνων είτε για διάγνωση είτε για εκπαίδευση εξ αποστάσεως. Υπάρχουν επτά βασικές λειτουργίες που πραγματοποιούνται από ένα PACS: 1. Σύλληψη εικόνας. 2. Αποστολή εικόνας. 3. Βραχυπρόθεσμη αποθήκευση. 4. Μακροπρόθεσμη αποθήκευση. 5. Ανάκτηση. 6. Προβολή εικόνας. 7. Δικτύωση Η τυπική σχεδίαση ενός δικτύου PACS περιλαμβάνει έναν κεντρικό εξυπηρετητή (server), που διαθέτει μια βάση δεδομένων με τις ιατρικές εικόνες, έναν ή περισσότερους πελάτες (clients) που παρέχουν ή χρησιμοποιούν τις εικόνες αυτές και οι οποίοι διασυνδέονται με τον εξυπηρετητή μέσω ενός Τοπικού Zικτύου (Local Area Network LAN). Όμως, παρ ότι έχει σχεδιαστεί για να υποστηρίζει το ακτινολογικό τμήμα, εντούτοις παραμένει ακριβό για τις περισσότερες εγκαταστάσεις και παρέχει περιορισμένη πρόσβαση στις εικόνες και στη λοιπή πληροφορία, γεγονός που πλήττει ένα μεγάλο αριθμό νοσοκομειακών ιατρών και των ειδικών που δεν εργάζονται στο ακτινολογικό τμήμα, όπως οι χειρουργοί και οι παθολόγοι που είναι μάλιστα αυτοί που παραπέμπουν τους ασθενείς για ακτινολογικές εξετάσεις. Ένα πλήρες PACS πρέπει να παρέχει ένα ενιαίο σημείο για πρόσβαση στις ιατρικές απεικονιστικές εξετάσεις, δηλαδή σε ιατρικές εικόνες και στις σχετιζόμενες με αυτές πληροφορίες (δηλ. πρέπει να υποστηρίζει πολλά ακτινολογικά μηχανήματα). Πρέπει, επίσης, να διαθέτει διεπαφή διασύνδεσης με τα υπάρχοντα συστήματα πληροφοριών των νοσοκομείων: Σύστημα Πληροφοριών Νοσοκομείου (Hospital Information System - HIS) και Σύστημα Πληροφοριών Ακτινολογικο (Radiology Information System - RIS). Η διασύνδεση μεταξύ των πολλαπλών συστημάτων παρέχει ένα πιο σταθερό και αξιόπιστο σύνολο δεδομένων. Μια διεπαφή μπορεί, επίσης, να βελτιώσει τα σχέδια ροής εργασίας μέσα στο χώρο του ακτινολογικού τμήματος, αφού μια εικόνα μπορεί να την χαρακτηρίσει ως «διαβασμένη». Έτσι, αποφεύγεται η επιπλέον ανάγνωση που μπορεί να γίνει στο RIS. Η αναφορά συνδέεται με τις αντίστοιχες ιατρικές εικόνες και είναι προσπελάσιμη και από τα δυο συστήματα μέσω μιας ενιαίας διεπαφής. Επίσης, βελτιώνεται η λειτουργικότητα της αποθήκευσης πάνω στο δίκτυο (online) και της αποθήκευσης δίπλα σε αυτό (nearline), στο σύστημα αρχειοθέτησης εικόνων. Το PACS λαμβάνει εκ των προτέρων τους καταλόγους των ραντεβού και των εισαγωγών. Η διαδικασία επικοινωνίας μεταξύ των συσκευών παραγωγής ιατρικών εικόνων και των υπόλοιπων συσκευών που αποτελούν τα PACS σήμερα, όπως επίσης και οι διαδικασίες απεικόνισης, αποθήκευσης και εκτύπωσης των εικόνων και πολλά άλλα είναι καθορισμένα από το ιατρικό πρότυπο DICOM καθώς οι εικόνες που αποθηκεύονται σε ένα PACS είναι της μορφής DICOM. Το πρότυπο Dicom Το πρότυπο DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine), δημιουργήθηκε το 1992 και είναι το πρότυπο για την ανταλλαγή ιατρικών εικόνων σε ψηφιακή μορφή. Επιτρέπει στους ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 70

72 χρήστες την ανάκτηση εικόνων και σχετιζόμενων πληροφοριών, από ιατρικά μηχανήματα, με προτυποποιημένη μέθοδο, που είναι ίδια για όλα τα μηχανήματα, ανεξαρτήτως κατασκευαστή. Το DICOM είναι κάπως περίπλοκο εξαιτίας της εξειδικευμένης ορολογίας του και των τακτικών αλλαγών που επιδέχεται, ώστε να υποστηρίζει νέες τεχνολογίες. Είναι βασισμένο στην αντικειμενοστρέφεια γι αυτό και συχνά παρατηρούνται κλάσεις και αντικείμενα. Το πρότυπο DICOM έχει χωριστεί σε πολλά τμήματα (parts) και κάθε τμήμα περιγράφει μια λειτουργία του προτύπου όπως π.χ. οι Service classes, τα IODs, το δίκτυο, τα μέσα αποθήκευσης κ.λ.π. Το κάθε τμήμα καθορίζεται από τον τίτλο του και έναν αριθμό. Το πρότυπο καθορίζει επιπλέον τους τύπους επικοινωνιών που καλούνται κλάσεις υπηρεσιών DICOM (DICOM Service Classes). Η λειτουργία του DICOM επεκτείνεται όταν οι κλάσεις υπηρεσιών επεκτείνονται ή/και αυξάνονται. Το DICOM καθορίζει επίσης τους τύπους των δεδομένων που στέλνονται και τη μορφή για αυτά τα δεδομένα. Αυτά καλούνται Στοιχεία Εξέτασης DICOM (DICOM Objects). [29] Παραδείγματος χάριν, ένα Στοιχείο Εξέτασης DICOM αποκαλούμενο CT είναι μία συγκεκριμένη μορφή δεδομένων για τη μετάδοση δεδομένων CT. Η ουσία του προτύπου είναι ότι ορίζει ένα σύνολο κοινών κανόνων για την ανταλλαγή και μεταφορά ψηφιακών εικόνων και των συνοδευτικών τους πληροφοριών. Το DICOM ακολουθεί το μοντέλο επικοινωνίας κατά ISO-OSI. Το μοντέλο αυτό αποτελείται από 7 ανεξάρτητα επίπεδα ή στρώματα και καθορίζει τις λειτουργίες επικοινωνίας του κάθε επιπέδου και τις σχέσεις ανάμεσά τους. Αυτό γίνεται με ένα σύνολο κανόνων, τα πρωτόκολλα, τα οποία καθορίζουν τον τρόπο λειτουργίας των δικτύων για την επικοινωνία και ανταλλαγή πληροφοριών. Πεδίο Εφαρμογής του προτύπου Το πρότυπο DICOM διευκολύνει την διαλειτουργικότητα εξοπλισμού ιατρικής απεικόνισης προδιαγράφοντας: Μια ομάδα πρωτοκόλλων που πρέπει να ακολουθούνται από τις συσκευές για να συμμορφώνονται στο πρότυπο. Τη σύνταξη και την σημασιολογία των εντολών και της σχετικής πληροφορίας που μπορεί να ανταλλαγεί με χρήση αυτών των πρωτοκόλλων. Πληροφορία που πρέπει να παρέχεται σε μια υλοποίηση για να υπάρχει συμμόρφωση στο πρότυπο. Το πρότυπο δεν προδιαγράφει: Λεπτομέρειες υλοποίησης λειτουργιών των συσκευών που συμμορφώνονται στο πρότυπο. Το σύνολο των λειτουργιών και χαρακτηριστικών που απαιτείται από ένα σύστημα που αποτελείται από πολλές συσκευές που συμμορφώνονται στο πρότυπο. Κάποια διαδικασία αξιολόγησης/ επικύρωσης συμμόρφωσης στο πρότυπο Το πρότυπο διευκολύνει την διαλειτουργικότητα συσκευών που έχουν συμμορφωθεί σε αυτό. Συγκεκριμένα: Αναφέρεται στη σημασιολογία των εντολών και των σχετικών δεδομένων. Ορίζει σαφώς τις απαιτήσεις συμμόρφωσης των υλοποιήσεων προς το πρότυπο. Ειδικότερα, μια δήλωση συμμόρφωσης πρέπει να καθορίζει τις λειτουργίες με τις οποίες εξασφαλίζεται η διαλειτουργικότητα και η διασυνδεσιμότητα με άλλες συσκευές που συμμορφώνονται στο πρότυπο. Διευκολύνει την λειτουργία σε ένα δικτυακό περιβάλλον ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 71

73 Είναι δομημένο έτσι ώστε να εξυπηρετεί εισαγωγή νέων υπηρεσιών, και να παρέχει υποστήριξη σε μελλοντικές εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης. Κάνει χρήση ήδη υπαρχόντων διεθνών προτύπων όπου είναι εφικτό, και συμμορφώνεται και το ίδιο σε διεθνή πρότυπα. Ορίζει ένα σύνολο πρωτοκόλλων που πρέπει να ακολουθούνται από τις συσκευές που δηλώνουν συμμόρφωση στο πρότυπο προκειμένου να διεξάγεται η δικτυακή επικοινωνία. Ορίζει ένα σύνολο από υπηρεσίες για αποθήκευση σε διάφορα μέσα που πρέπει να ακολουθηθούν από τις συσκευές που δηλώνουν συμμόρφωση με το πρότυπο, καθώς επίσης κι ο τύπος του αρχείου και η δομή του ιατρικού φακέλου για να διευκολύνεται η πρόσβαση στις εικόνες και στη σχετική πληροφορία που αποθηκεύεται στα διάφορα μέσα ανταλλαγών προκειμένου να είναι δυνατή η επικοινωνία. Εμβέλεια Το DICOM σήμερα είναι ένα διεθνές πρότυπο, απολύτως σεβαστό και αναγνωρισμένο. Επιπροσθέτως η διαδικασία της προτυποποίησης είναι μάλλον πολύ αποδοτική. Η επιτροπή του προτύπου DICOM συναντάται σε ημερίδες, πολλές φορές το χρόνο σε διάφορα μέρη, συνηθέστερα όμως στις Η.Π.Α και περιστασιακά στην Ευρώπη και την Ασία. Αυτή η επιτροπή αποτελείται από μέλη των κατασκευαστών και των επαγγελματικών οργανισμών. Υπάρχουν περίπου 50 μέλη που εγκρίνουν νέα κομμάτια εργασίας π.χ. καθορίζουν νέες περιοχές για προτυποποίηση και εγκρίνουν τα αποτελέσματα. Τα πρότυπα στην ουσία γράφονται από διάφορες ομάδες εργασίας όπου η κάθε μια χειρίζεται διαφορετικό αντικείμενο πραγματογνωμοσύνης τα οποία είναι πάνω από 20. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι μια συνεχείς και λεπτομερής αναθεώρηση, τόσο εσωτερική όσο και εξωτερική μιας και κάθε αλλαγή κοινοποιείται για δημόσια σχόλια από οποιονδήποτε πριν «ψηφιστεί» από τα μέλη της επιτροπής. Η βασική ομάδα εργασίας του προτύπου (WG VI), επιβεβαιώνει ότι προσθήκες στο πρότυπο, είναι στη βάση της φιλοσοφίας του και εξασφαλίζει την ακεραιότητα του προτύπου. [30] Γενικά, υπάρχουν ισχυροί δεσμοί ανάμεσα στο DICOM και άλλους οργανισμούς ώστε να επιβεβαιώνεται η διεθνής υποστήριξή του, να αποφεύγονται αλληλοεπικαλύψεις και να αυξάνεται η αξιοπιστία του. Συγκεκριμένα δυο διεθνή σώματα προτύπων έχουν επιτροπές που αφορούν την πληροφορική στην υγεία., αυτές είναι οι: Ευρωπαϊκή Επιτροπή Προτυποποίησης (CEN: Comitte Europeean de Normalization) με την Τεχνική Επιτροπή (TC), CEN/TC215 και το International Standard Organization (ISO), το οποίο έχει Τεχνική Επιτροπή (TC) την ISO/TC215. Το DICOM 3.0 χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα από τους περισσότερους κατασκευαστές. Αν και το ίδιο το πρότυπο δεν έχει αλλάξει, έχουν προστεθεί συμπληρώματα (Supplements) και καινούρια μέρη (Parts) για να επιληφθούν των τεχνολογικών αλλαγών και αναγκών που έχουν προκύψει από την αρχική έκδοση του προτύπου. Τα συμπληρώματα αυτά επεκτείνουν τη λειτουργία του DICOM σε πολλούς τύπους επικοινωνιών ψηφιακής απεικόνισης Λειτουργία και Ασφάλεια πληροφοριών Αρχικά, πρέπει να γίνει η εγκαθίρδυση της σύνδεσης ώστε να επικοινωνήσουν οι κόμβοι μεταξύ τους. Το πρότυπο DICOM λειτουργεί με κατανεμημένες διεργασίες, σύμφωνα όμως με το μοντέλο πελάτη-εξυπηρετητή (client-server). Όταν δυο συσκευές ή κόμβοι απαιτείται να επικοινωνήσουν με βάση το πρότυπο DICOM, ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία: αρχικά γίνεται η προσπάθεια έναρξης της συνόδου μέσω δικτύου. Το πρωτόκολλο δικτύου που χρησιμοποιείται ενημερώνει για τη διαθεσιμότητα. Εάν το δίκτυο είναι διαθέσιμο, τότε το πρότυπο αρχίζει μια σειρά ενεργειών για να πραγματοποιηθεί η σύνδεση. Η συσκευή που αιτείται την επικοινωνία ενημερώνει για το είδος των ενεργειών που πρέπει να πραγματοποιηθούν, ενώ η συσκευή που λαμβάνει την αίτηση ενημερώνει με τη σειρά της για τις δυνατότητές της. Για να λειτουργήσει, λοιπόν, σωστά η κατανεμημένη διεργασία πρέπει να οριστεί ο ρόλος (Role) της κάθε πλευράς ως ρόλος πελάτη (Client) ή ως ρόλος εξυπηρετητή (Server). Η πλευρά που χρησιμοποιεί τη λειτουργικότητα της άλλης έχει το ρόλο του πελάτη. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 72

74 Τα χαρακτηριστικά, παρόλο που περιγράφουν ένα πολύ μικρό κομμάτι από την πληροφορία που μας ενδιαφέρει, πρέπει να είναι ακριβή και λεπτομερή. Στο πρότυπο DICOM περιγράφονται με τα παρακάτω IOD: Μοναδικό Attribute Name (αναγνώσιμο από άνθρωπο) Μοναδικό Attribute Tag (πληροφορία αναγνώσιμη από το σύστημα) Attribute Description (σημασιολογική περιγραφή) Value Representation (σύνταξη και κωδικοποίηση) Value Multiplicity (επαναληψιμότητα) Type Classification: 1, 1C, 2, 2C, ή 3 ( η χρήση του εξαρτάται από το περιβάλλον της SOP class, της Service class, του ρόλου κλπ) Για τη λειτουργία των εργασιών του εν λόγω προτύπου είναι υπεύθυνες οι Κλάσεις Υπηρεσιών (Service Classes), οι οποίες αποτελούν τις διεργασίες που εκτελούνται στα αντικείμενα-οντότητες. Το DICOM πρότυπο λειτουργεί με κατανεμημένες διεργασίες, οι οποίες δρουν από κοινού και ορίζουν μια υπηρεσία (service). Η σχέση και ο ρόλος μεταξύ δύο συνεργαζόμενων διεργασιών καθορίζεται από την περιγραφή της κλάσης υπηρεσίας (Service Class). Παραδείγματα τέτοιων κλάσεων ακολουθούν στη συνέχεια: Κλάση υπηρεσίας αποθήκευσης (Storage Service Class) Κλάση υπηρεσίας επερωτήσεων (Query Service Class) Κλάση υπηρεσίας ανάκτησης (Retrieval Service Class) Κλάση διαχείρισης περιστατικού (Study Management Service Class.) Για την ασφάλεια του dicom χρησιμoποιείται από το 1999 η μέθοδος της κρυπτογράφησης. Σύμφωνα με αυτήν, γίνεται ασφαλή επικοινωνία TLS. Η ίδια επικοινωνία χρησιμοποιείται και στηνα σφάλεια αγορών μέσω πιστωτικών καρτών στο internet. Το TLS είναι εγκατεστημένο στην κορυφή του TCP/IP πρωτοκόλλου. Zιαθέτουμε ένα ιδιωτικό κλειδί για να κρυπτογραφήσουμε την πληροφορία, το οποίο μόνο ο σωστός αποδέκτης γνωρίζει και με το ίδιο αποκρυπτογραφεί. Το μόνο μειονέκτημα αυτής τηςμεθόδου είναι η μείωση της απόδοσης λόγω της συνεχούς κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφησης.μια άλλη μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι οι ψηφιακές υπογραφές Κομμάτια ασφάλειας εφαρμόζονται στο header της εικόνας, τα επονομαζόμενα Attribute Level Confidentiality. Αυτό το μέτρο μπορεί να χαράξει σαφώς ένα σημαντικό βήμα για τηνουσιαστική απαίτηση απορρήτου του ασθενή. Το βασικότερο στοιχείο της προτεινόμενης αυτήςασφάλειας, είναι οι προσθήκες ασφάλειας σε όλες τις τιμές των Attributes που πρέπει ναπροστατευθούν, όπως το όνομα του ασθενή, το ID κτλ. Όλες αυτές οι ιδιότητες στην ουσία αφαιρούνται από το DICOM αντικείμενο και αντικαθίστανται είτε από ψευδώνυμα είτε από ψεύτικες τιμές.διαδικασία την οποία διαθέτει και το πρόγραμμα Matlab ως συνάρτηση,γνωστή ως anonymize κι έγινε χρήση της στο γραφιστικό περιβαλλον MEDIMAN. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Σελίδα 73

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Εισαγωγή Στο κεφάλαιο τρία, αρχικά, παρουσιάζεται το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού,το οποίο εκμεταλλεύεται η απεικόνιση μέσω μαγνητικής τομογραφίας. Στη συνέχεια, γίνεται επεξήγηση των μηχανισμών δημιουργίας αντίθεσης στην εικόνα MR,των εγγενών και των μεταβλητών παραμέτρων της εικόνας. Στη συνέχεια, γίνεται αναλυτική περιγραφή της διαδικασίας παραγωγής της εικόνας στο MR, δηλαδή της μετάβασης από τη διέγερση στην μέτρηση του μεγέθους του σήματος, την καταγραφή του και την τελική μετατροπή για την παραγωγή της εικόνας. Τέλος, γίνεται αναλυτική περιγραφή στα μεγέθη που επηρεάζουν την εικόνα MR και πώς αυτά αλληλοεξαρτώνται. Φαινόμενο Πυρηνικού Μαγνητικού συντονισμού Το σπίν (ενέργεια στον πυρήνα ενός ατόμου λόγω ιδιο περιστροφής των σωματιδίων ) αποτελει ένα από τα θεμελιώδη μεγέθη στο φυσικό κόσμο όπως είναι το ηλεκτρικό φορτίο ή η μάζα των σωμάτων.οι τιμές που παίρνει αυτό το μέγεθος είναι κβαντισμένες,πολλάπλάσια του ½ είτε αρνητικές είτε θετικές.τα σωματίδια της ύλης που περιέχονται /αποτελούν ένα άτομο,κατέχουν αυτό το μέγεθος κι ανάλογα με την περιεκτικότητα και την δομή κάθε ατόμο χαρακτηρίζεται από ένα συνόλικο μέγεθος σπιν. [15] Όπως είναι γνωστό από την φυσική ο πυρήνας ενός ατόμου αποτελείται από θετικά φορτισμένα σωματίδια που ονομάζοναται πρωτόνια και από ουδέτερα φορτισμένα σωματίδια που τα ονομάζουμε νετρόνια.τα δύο αυτά σωματίδια έχουν προσεγγιστικά την ίδια μάζα η οποία είναι περίπου 1840 φορές μεγαλυτερη από αυτή ενός ηλεκτρονίου.τα νουκλεόνια(πρωτόνια και νετρονια) λοιπόν όπως ακριβώς και τα ηλεκτρόνια κατατάσονται σε στοιβάδες,ανάλογα με τον αριθμό τους σε κάθε άτομο.έτσι για άτομα τα όποια έχουν 2, 8, 20, 28, 50, 82, ή 126 νουκλεόνια στον πυρήνα τους,οι στοιβάδες είναι πλήρης και τα σπιν των πρωτονίων αλληλοεξουδετερώνονται με αυτά των ηλεκτρονίων,που έχουν τον ίδιο αριθμό.όμως (για καλή μας τύχη )σχεδόν για κάθε τέτοιο στοιχείο στον περιοδικό πίνακα υπάρχει ένα αντίστοιχο ισότοπο το οποίο δεν έχει μηδενικό άθροισμα πυρηνικών σπιν.το φαινόμενο NMR μπορεί να εφαρμοστεί στα συγκεκριμένα είδη ατόμων, σε ισότοπα των οπόιων το άθροισμα των σπιν των πυρηνικών σωματιδίων που περιέχουν δεν έιναι μηδενικό κι έτσι δημιουργείται μετρήσιμη μαγνητική ροπή.μερικά τέτοια στοιχεία είναι το υδρογόνο 1Η, ο φωσφορος 31Ρ,το νάτριο 23Na κι ο άνθρακας 13C.Στην φυσική τους κατάσταση περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους και η κατεύθυνση του άξονα κάθε μικρού μαγνήτη είναι τυχαία, με αποτέλεσμα η συνισταμένη μαγνητική ροπή να είναι μηδέν.όταν λοιπόν ένα τέτοιο στοιχείο με αυτές τις ιδιότητες τοποθετηθεί στο εσωτερικό ενός ισχυρού μαγνητικού στατικού πεδίου,έστω B 0, ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 74

76 Πίνακας 3-1 :Πίνακας στοιχείων που συναντώνται στο ανθρώπινο σώμα,με τα spin τους και τις αντίστοιχες συχότητες Larmor. οι μαγνητικές ροπές,που προσεγγιστικά μπορούμε να τις φανταζόμαστε ως μικρά, μαγνητάκια δεν έχουν πλέον τυχαίες κατευθύνσεις,αλλά παράλληλες με την κατεύθυνση του διανύσματος της έντασης B 0. Είναι γνωστό πως το ανθρώπινο σώμα ως άθροισμα κυρίως διαμαγνητικών στοιχείων δεν κατέχει μαγνητικές ιδιότητες,απότελείται όμως στο μεγαλύτερο μέρος του από νερό H 2 O κι άλλα μόρια τα οποία με την σειρά τους περιέχουν πυρήνες υδρογόνου.έτσι λόγω της μεγάλης περιεκτικότητας των ανθρώπινων ιστών σε πυρήνες υδρογόνου,είναι αυτό το στοιχείο που χρησιμοποιείται κυρίως για την απεικόνιση της ανθρώπινης ανατομίας με την βοήθεια του φαινομένου του NMR. Συγκεκριμένα, όταν το ανθρώπινο σώμα,το οποίο περιέχει οπως είδαμε πολύ μεγάλο αριθμό τέτοιων τυχαία διάσπαρτων μαγνητικών ροπών,βρεθεί σε ιδιαίτερα ισχυρό στατικό μαγνητικό πεδίο,όπως αυτό που δημιουργεί ένας μαγνητικός τομογράφος έστω B 0,το διάνυσμα της μαγνητικής του ροπής του κάθε πυρηνικού σωματιδίου δεν παραμένει στατικό και παράλληλο με την διεύθυνση της έντασης του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου B 0,δεν διατηρεί δηλαδή την φυσική του κατάσταση, αλλά πλέον περιστρέφεται γύρω από τον άξονα παράλληλο με την ένταση του πεδίου αυτού με μια χαρακτηριστική κίνηση που λέγεται μετάπτωση (Σχήμα 3-1). Σχήμα 3-1Μεταπτωτική κίνηση πυρήνων με περιττό αριθμό πρωτονίων γύρω από την κατεύθυνση του B 0. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 75

77 Mε έναν παρόμοιο τρόπο που διανεμονται τα ηλεκτρόνια σε στοιβάδες βάση της ενέργειας που φέρουν,κάπως έτσι μπορούμε να πούμε,λόγω περιορισμών της Κβαντικής Μηχανικής,πως τα διανύσματα μαγνητικών ροπών των πυρήνων περιστρέφονται είτε στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου,η οποία ονομάζεται και θεμελιωδής κατάσταση,είτε στην αντίθετη κατεύθυνση,ηοποία ονομάζεται διεγερμένη κατάσταση.μπορούμε να πούμε λοιπόν πως έχουμε δύο ενεργειακές καταστάσεις /επίπεδα που οφειλονται στην εφαρμογή του B 0.Το φαινόμενο των κβαντοποιημένων ενεργειακών καταστάσεων με την παρουσία ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου είναι γνωστό ως Zeeman effect και οι δύο ενεργειακές καταστάσεις ως spin πάνω ( ) και spin κατω ( ) αντίστοιχα.η κατάσταση, spin up ή όπως αλλίως λέγεται θεμελιώδης κατάσταση φέρει την χαμηλότερη ενέργεια,για το λόγο αυτό "προτιμάται" από τους πυρήνες,σε σχέση με την διεγερμένη ή spin down κατάσταση με την αυξημένη ενέργεια.όμως οι Κβαντομηχανικοι Νόμοι απαγορεύουν όλα τα spin να βρίσκονται σε μία κατασταση,έτσι σχεδόν ίδιος αριθμός spin παρευρίσκονται σε μια από τις δύο ενεργειακές στάθμες.η μικρή αυτή διαφορά όμως στον πληθυσμό των spin που βρίσκονται στην θεμελιώδη κατάσταση (προσεγγιστικά 14 πυρήνες σε έναν πλήθος πυρήνων) σε σχέση με αυτούς που βρίσκονται στην διεγερμένη κατάσταση,δημιουργεί μια μικρη μαγνήτιση M 0 παράλληλη στην κατεύθυνση του B 0 που μέσα από διαδικασίες μας προσφέρει το σήμα (πηγή ) το οποίο θα επεξεργαστούμε για να να χτίσουμε την εικόνα.ουσιαστικά η μαγνήτιση Μ 0 αποτελεί το άθροισμα των στοιχειωδών μικρων μαγνητίσεων οι οποίες οφείλονται στην ιδιοστροφορμή (σπιν ) των πυρήνων και θεμελιώδες μέγεθος για την κατανόηση του μηχανισμού της MR. Όπως τα ηλεκτρόνια κάθε στοιβάδας μπορούν να δεχθούν ενεργεια και να μεταφερθούν σε κάποια ανώτερη ενεργειακά στοιβάδα για κάποιο χρονικό διάστημα,η οποία προσδίδεται με την μορφή φωτονίων και κατέχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά για κάθε e, με παρόμοιο τρόπο ένα πρωτόνιο (πυρήνας Υδρογόνου) στην κατάσταση E μπορεί να μεταφερθεί στην κατάσταση E απορροφώντας ένα φωτόνιο με ενέργεια ίση με E E = hγb 0 (εξ.3-1). Για ένα φωτόνιο με ενέργεια E = hω RF (εξ.3-2) η συνθήκη για να διαιγείρει τον συγκεκριμένο πρωτόνιο είναι να φέρει ίση συχνότητα ως ηλεκτρομαγνητικός παλμός,με την γωνιακή συχνότητα της μεταπτωτικής χαρακτηριστικής περιστροφικής κίνησης.η συχνότητα μετάπτωσης ή όπως αλλίως ονομάζεται συχνότητα Larmor, ω RF = γb 0 (εξ.3-3) είναι ανάλογη της έντασης του μαγνητικού πεδίου B 0 και επίσης εξαρτάται από το χημικό περιβάλλον κάθε πυρήνα.το μέγεθος γ ονομάζεται γυρομαγνητικός λόγος και έχει διαφορετική τιμή για κάθε ατομικό πυρήνα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 76

78 Το ρόλο των φωτονίων στο φαινόμενο του NMR τον έχουν παλμοί RF οι οποίοι φέρουν την συγκεκριμένη συχνότητα συντονισμού κι έτσι μπορούν να διεγείρουν στην μικροσκοπική κλίμακα την ενεργειακή κατάσταση των spin.γεγονός που έχει και μακροσκοπικά επίπτωση στο διάνυσμα της μαγνήτισης Μ 0. Σχήμα 3-2 : To φαινόμενο Zeeman για σωματίδια με spin j = 1/2. Με την παρουσία του ισχυρου στατικού μαγνητικού πεδίου B 0 σχηματίζονται δύο ενεργειακές καταστάσεις για τα spin, spin up ( ) and spin down ( ).Η ενεργειακή διαφορά των δύο καταστάσεων είναι ανάλογη της τιμής του B 0. Επίδραση RF διεγέρσεως στην μαγνήτιση M 0 Αυτό που πετυχαίνουμε σε μακροσκοπικό επίπεδο, όταν στέλνουμε τον ραδιοπαλμό(rf) είναι να στρέψουμε την μαγνήτιση Μο,από το διαμήκες επίπεδο που βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας (Ζ,longitudinal,το επίπεδο παράλληλο με το Βο),προς το εγκάρσιο επίπεδο XY.Ο σκοπός αυτής της εκτροπής είναι να γίνει δυνατή η μέτρηση τουσήματος με επαγωγή σε κάποιο πηνίο. Παραμένοντας η μαγνήτιση παράλληλα με το πεδίο Β0 του μαγνητικού τομογράφου είναι αδύνατη η μέτρηση της διότι σα μέγεθος είναι αμελητεό σε σχέση με το Β0.Για να εκτρέψουμε τις μαγνητικές ροπές γίνεται χρήση ενός RF παλμού,ο οποίος είναι ένα κυκλικά πολωμένο κύμα που περιέχει ένα περιστρεφώμενο μαγνητικό πεδίο.η επίδραση μιας άλλης εντάσεως μαγνητικού πεδίου της διεγέρσεως Β1 (διαφορετικό από το στατικό πεδίο Β0 ), το οποίο ταλαντώεται στην συχνότητα Larmor, στην μαγνήτιση Μ0,περιγράφεται ευκολότερα με την χρήση ενός περιστρεφόμενου συστήματος αξόνων Χ Υ Ζ με συχνότητα ω(ουσιαστικά ορίζουμε την μαγνητιση M0 ως άξονα Ζ και μαζί της περιστρέφεται το επίπεδο ΥΖ γι αυτό και μετονομάζεται σε Υ Ζ ). [22] ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 77

79 Σχήμα 3-3 :Η κίνηση που ακολουθεί η μαγνήτιση M o κατά την εφαρμογή του παλμού RF στο ακίνητο συστημα αναφοράς.είναι εμφανές πως το μοντέλο θα απλοποιηθεί με χρήση στρεφώμενου συστήματος συντεταγμένων με συχνότητα Larmor με αυτήν δηλαδή που περιστρέφεται η M 0. Έτσι,εφαρμόζωντας τις αρχές της ηλεκτροδυναμικής παίρνουμε οτι ως προς το περιστρεφόμενο σύστημα αξόνων ως προς την μαγνήτιση M 0 εφαρμόζεται συνολικά ένα ενεργό πεδίο Β εφ =Β 0 +ω/γ (εξ.3-4) Εάν η συχνότητα περιστροφής είναι ίση με την συχνότητα συντονισμού ω=ω 0 κι επειδή ω 0 = -γβ 0 συνεπάγεται οτι Β εφ =0 και ως προς το περιστρεφόμενο σύστημα αξόνων η μαγνητιση Μ 0 θα παρεμένει αμετάβλητη.υποθέσαμε όμως και μια διέγερση Β 1, η οποία μας προσφέρει στο επίπεδο Χ Ύ ένα πρόσθετο εξωτερικό πεδίο Β1 περιστρεφώμενο με την συχνότητα ω του Χ Ύ Ζ.Το ολικό ενεργό πεδίο που θα εφαρμόζεαται στην Μ 0 θα είναι Β εφ =Β 0 +ω/γ+β 1 (εξ.3-5) κι αντίστοιχα ω=ω 0 θα προκύψει οτι Β εφ =Β 1.Έαν η ένταση Β 1 εφαρμοζεται κατα τον άξονα Χ του περιστρεφόμενου πεδίου,τότε για έναν παρατηρητή ο οποίος βρίσκεται πάνω στο σύστημα αξόνων Χ Ύ Ζ,η μαγνητιση Μ 0 θα εκτελέσει μεταπτωτική κίνηση γύρω από τον άξονα Χ με συχνότητα ω 1 =-γ Β 1,η οποία έξαρτάται άμεσα από την τιμή της διέγερσης Β 1.Η τιμή της διέργσης είναι συνήθως στην περιοχή των Τ κι επομένως για τους πυρήνες υδρογόνου η συχνότητα κυμαίνεται κοντα στα 10 6 rad/sec. [14] Ως απλοποίηση με εφαρμογή ενός RF παλμού με μικρή χρονική διάρκεια t m η γωνία μεταπτώσεως φ της μαγνήτισης M 0 θα είναι (Σχήμα 3-4 αριστερά) φ= ω 1 t m = γ Β 1 t m. (εξ.3-6) Σύμφωνα λοιπόν με τα παραπάνω με την εφαρμογή ενός συρμού RF διέγερσης έντασης Β,το διάνυσμα της μαγνήτισης θα στραφεί προς το επίπεδο κι άρα αναλύεται σε δύο συνιστώσες,την εγκαρσια Μ ΧΥ και την διαμήκη κατα τον άξονα Ζ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 78

80 Σχήμα 3-4 : (αριστερά)h κίνηση που ακολουθεί η μαγνήτιση M 0 με βάση της απλοποιήσεις που δεχόμαστε. (δεξιά ) Η γωνία εκτροπής μετά την εφαρμογή για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα t m του παλμού RF. Η εγκάρσια μαγνήτιση,λοπόν, λειτουργεί όπως ένας περιστρεφώμενος μαγνήτης. Με την χρήση ενός πηνίου, επομένως, μπορουμε να παράξουμε ηλεκτρική τάση λόγω επαγωγης. Η σχέση της τάσης σε συνάρτηση με τον χρόνο μας δίνει το σήμα του μαγνητικού συντονισμού (MR signal).αυτό το σήμα λέγεται ελέυθερα επαγόμενο αποσβενύμενο σήμα(free Induction Decay /F.I.D).Επομένως,όσο πιο μεγάλη ένταση και διάρκεια έχει η συνιστώσωσα της εγκάρσιας μαγνήτισης, τόσο πιο έντονο θα είναι και το σήμα του μαγνητικού συντονισμού.η διαμήκης συνιστώσα δεν έχει καμία συνεισφορά στο μετρούμενο σήμα MR μια που παραμένει στην ίδια διεύθυνση παράλληλα με το B 0 ουσιαστικά μη μετρήσιμη.το σήμα FID στην πραγματικότητα βέβαια αποσβένει με μεγάλη ταχύτητα,μια που ασκούνται μετά την διέγερση από τον παλμό εκτροπής RF νέοι μηχανισμοί ώστε να επαναφέρουν το σύστημα πάλι σε κατάσταση ισορροπίας κι ελάχιστης ενέργειας. [13,16] Σχήμα 3-5: Το σήμα FID ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 79

81 Αποκατάσταση T1 Την στιγμη που ολοκληρώνεται η διέγερση των πυρήνων μέσω του παλμού RF έντασης Β 1 η μαγνητιση Μ 0 επηρεζόμενη από το περιβάλλον, τείνει ξανά προς την αρχική της τιμή και διεύθυνση παράλληλα δηλαδή με το στατικό μαγνητικό πεδίο Β 0.Σε περίπτωση που οι πυρήνες των ατόμων που διεγείρουμε βρισκόταν στο κενό,με την παύση του ραδιοπαλμού η κατάσταση δεν θα άλλαζε.μιά σειρά από εξωτερικούς παράγοντες επιδρούν,όμως,και μεταβάλουν αυτή την κίνηση.οι παράγοντες αυτοί είναι η θερμική κίνηση των σωματιδίων και τα μαγνητικά πεδία που προέρχονται από τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα.η αλλήλεπίδραση αυτή με το περιβάλλον που οδηγεί στην επαναφορά της αρχικής κατάστασης (πριν την διέγερση ) περιγράφεται από δύο γεγονότα των οποίων οι χρονικές διάρκειες αποτελούν χαρακτηριστικά μεγέθη της MRI και είναι γνωστοί ως χρόνοι χαλάρωσης. Κατά τα προηγούμενα,η διαμήκης συνιστώσα Μ z τείνει προς την αρχική τιμή της μαγνήτισης Μ 0 πριν την διέγερση,αυξανόμενη εκθετικά σύμφωνα με την συνάρτηση Μz=Μ 0 (1-exp(-t/T1) (εξ.3-7) Ο όρος Τ1,σταθερά χρόνου Τ1 ονομάζεται spin-lattice χρόνος αποκατάστασης,με τυπικό εύρος τιμών ανάμεσα στα 10-4 sec και 10 4 sec,ανάλογα με το είδος των ιστών που θέλουμε να απεικονιστούν.αυτό το μεγάλο εύρος στις τιμές είναι λόγος απόδοσης ικανοποιητικής αντίθεσης στην εικόνα της μαγνητικής τομογραφίας. Σχήμα 3-6 :Χρόνοι χαλάρωσης T1 από διάφορους ιστούς. Σαν φυσικό φαινόμενο η αποκατάσταση της διαμήκους μαγνήτισης μέσω spin-lattice οφείλεται στην ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του συνόλου των ιδιοπεριστρεφόμενων πυρήνων (spin ) και του μοριακού πλέγματος στο εσωτερικό του οποίου βρίσκονται.κάτα την διάρκεια της αποκατάστασης έχουμε μετακίνηση πυρήνων από υψηλό επίπεδο ενέργειας E στο χαμηλό E.Όπως μπορούμε να δούμε και στο σχήμα μετά την παρέλευση χρόνου Τ1,η διαμήκης μαγνήτιση έχει αποκατασταθεί σε ποσοστό 63%,ενώ μετά από χρόνο 5 Τ1 έχει ουσιαστικά ολοκληρωθεί η αποκατασταση. Απόσβεση T2 Σε αντιστοιχία με το μηχανισμό αποκτάστασης της διαμήκους μαγνήτισης για την περίπτωση της συνιστώσας εγκαρσιας μαγνήτισης Μ ΧΥ συναντάμε έναν μηχανισμό απόσβεσης,ο οποίος οδηγεί στην εξάλειψη της εγκαρσιας συνιστώσας μαγνήτισης κι είναι γνωστός με την ονομασία spin-spin απόσβεση.χαρακτηριστικό μέγεθος του μηχανισμού αποτελεί ο χρόνος Τ2 χρόνος εγκάρσιας χαλάρωσης ή spin-spin χρόνος χαλάρωσης.το φυσικό φαινόμενο στο οποίο οφείλεται ο παραπάνω μηχανισμός είναι η αλλήλεπίδραση των στοιχειωδών μαγνητίσεων.το γεγονός αφορά την σταδιακή απώλεια της σύγχρονης περιστροφής των πρωτονίων ως προς το επίπεδο XY /γύρω από τον άξονα Υ.Η κατάσταση αυτή περιγράφεται σαν απώλεια της συνάφειας της φάσης(out of ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 80

82 phase).το άμμεσο αποτέλεσμά της είναι η σταδιακή μείωση της εγκάρσιας συνιστώσας μαγνήτισης(μ ΧΥ ).Με την διακοπή επομένως του παλμού RF έχουμε απώλεια της συμφατικότητας /συχρονισμού των εγκαρσιων μαγνητίσεων και σταδιακή εξάλειψη της εγκάρσιας συνιστώσας (Μ ΧΥ ). Ο ρυθμός απώλειας περιγράφεται με φθίνουσα εκθετική συνάρτηση με βάση το e και χαρακτηριστική χρονική σταθερα T2, όπου Τ2 είναι ο spin-spin χρόνος απόσβεσης. M ΧΥ = M o e t/τ2 (εξ.3-8) Ο ρυθμός με τον οποίο οι στοιχειώδης μαγνητισείς χάνουν τον συγχρονισμό της φάσης τους,εκφράζεται από τον χρόνο Τ2.Ο χρόνος Τ2 είναι ο χρόνος κατά τον οποίο η εγκάρσια συνιστώσα Μαγνήτισης έχει μειωθεί κατά το 37% της αρχικής της τιμής ή αλλιως το 37% των στοιχειωδών μαγνητίσεων έχουν χάσει τον συχρονισμό της φάση τους.η συνολική εξάλειψη της εγκαρσιας συνιστώσας κι άρα του προς μέτρηση σήματος FID λαμβάνει χώρα σε 5 T2. Σχήμα 3-7 :Οι χρόνοι Τ1 και Τ2 συμβαίνουν ταυτόχρονα αλλά δεν έχουν την ίδια διάρκεια,ο χρόνος Τ2 είναι πολύ μικρότερος. Σχήμα 3-8:Χρόνοι απόσβεσης Τ2 για διαφορετικούς ιστούς. Το μαγνητικό πεδίο B 0 εμφανίζονται ανάπόφευκτα κάποιες ανομοιογένειες οι οποίες οδηγουν σε διασπορά των γωνιακών συχνοτήτων των επιμέρους μαγνητίσεων κι άρα λόγο για πιο ταχεία εξάλειψη του σήματος.υπάρχουν δύο είδη ανομοιογενειών,οι ανομοιογένειες του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και οι τοπικές ανομοιογένειες ανάλογα με το μοριακό περιβάλλον που υπάρχει σε κάθε ιστό.οι πρώτες οφείλονται κατά κύριο λόγο στις γραμμικές μεταβολές που ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 81

83 προκαλούνται από τα πηνία βαθμίδωσης ( Gradient Coils) στο μαγνητικό πεδίο που ως σκοπό έχουν στην χωρική κωδικοποίηση του σήματος(spatial encoding).δευτερογενώς οφείλονται σε κατασκευαστικές ατέλειες του μηχανήματος και σε ανομοιογένειες στην μαγνητική επιδεκτικότητα του χώρου. Οι ανομοιογένειες που οφείλονται στο χημικό περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται τα πρωτόνια είναι πολύ μικρότερες σε ένταση,αλλά καθοριστικές γιά το πόσο γρήγορα αποσυμφασικοποιούνται τα πρωτόνια.σ ένα περιβάλλον υγρού,όπως το νερό,τα ταχέως κινούμενα μόρια του νερού δεν έχουν μεγάλες διαφορές στα μαγνητικά πεδία τους.αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να αργούν να χάσουν τον συγχρονισμό τους,άρα να αργούν να αποσυμφασικοποιηθούν,άρα να έχουν μακρύ(long) χρόνο Τ2.Αντίθετα σ ένα περιβάλλον με στερεά οι διαφορές στα τοπικά μαγνητικά πεδία είναι μεγαλύτερες,με αποτέλεσμα τα πρωτόνια να αποσυμφασικοποιούνται πιό γρήγορα,άρα να έχουν βραχείς(short) χρόνου Τ2.Η αποσυμφασικοποίηση των πρωτονίων μόνο εξαιτίας των τοπικών διαφορών στα μαγνητικά πεδία,αναφέρεται με τον χρόνο χαλάρωσης Τ2.Αν σ αυτόν τον χρόνο συνυπολογίζονται και οι ανομοιογένειες του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου,αναφερόμαστε στον χρόνο Τ2*(T2 star).ο παρατηρούμενος χρόνος Τ2* είναι σημαντικά μικρότερος από τον Τ2. Σχήμα 3-9:Ο χρόνος Τ2* σε σχέση με τον χρόνο Τ2. Το MRI χρησιμοποιεί τις φυσικές ιδιότητες του H το οποίο ως μέρος ιστού λίπους ή νερού στο ανρώπινο σώμα απότελεί σχέδον το 75 με 80%.Τα πιο σημεντικά στοιχεία είναι η πυκνότητα των προτωνίων (PD proton density) και οι δύο χρόνοι χαλάρωσης T1 και T2που αναφέρθηκαν παραπάνω.η πυκνότητα προτονίων έχει να κάνει με τον αριθμό των ατόμων Η σε ένα συγκεκριμένο όγκο.το εγκεφαλονωτιαίο υγρό (ΕΝΥ) και το αίμα έχουν μεγαλύτερο PD από τα οστά ή οι τένοντες.αντίστοιχα και οι χρόνοι χαλάρωσης T1 και T2 διιαφέρουν ανάλογα με τον ιστό.πιο συγκεκριμένα τα υγρά έχουν μεγαλύτερο Τ msec,οι ιστοί με βάση το νερό έχουν 400 με 1200 msec,ενώ οι ιστοί με βάση το λίπος έχουν 100με 120.Ο Τ2 όπως είδαμε είναι πάντα μικρότερος του Τ1 για τον ίδιο ιστό,έτσι γενικά ο χρόνος Τ2 κυμαίνεται ανάμεσα σε 700 με 1200 msec για τα υγρά,40 με 200msec για τους ιστούς με βάση το νερό και 10 με 100 msec για τους ιστούς με βάση το λίπος.γενικά η αντίθεση στις εικόνες MR εξαρτάται από τα PD και τους Τ1, Τ2.Σε εικόνες που αναπαριστούν το PD,περιοχές με υψηλό PD δίνουν υψηλής έντασης σήμα κάτι που μεταφέρεται στην εικόνα ως pixelμε αυξημένη φωτεινότητα.σε εικόνες με Τ2 προσανατολισμό( μετράμε τον χρόνο χαλάρωσης Τ2 ) ιστοί με μεγάλο χρόνο χαλάρωσης Τ2 δίνουν τις υψηλοτερες τιμές έντασης σήματος και παράγουν αντίστοιχα pixel με μεγαλύτερη φωτεινότητα.σε εικόνες με Τ1 προσανατολισμό ισχέι το εντελώς ανάστροφο,περιοχές με υψηλό χρόνο Τ1 δίνουν το πιο αδύναμο σήμα ενώ ιστοι με μικρης διάρκειας Τ1 παράγουν τα πιο έντονα σήματα και αποδίδονται στην εικόνα με pixel μεγαλύτερης φωτεινότητας. Μηχανισμοί δημιουργίας αντίθεσης στην εικόνα MR Θα μπορούσαμε,σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν στην αρχή του κεφ.2, να χαρακτηρίζαμε το φαινόμενο NMR ως την αιτία δημιουργίας της πηγής (σήμα NMR) στην διαδικασία απεικόνισης μέσω του Μαγνητικού τομογράφου.η παραγωγή της εικόνας όμως απαιτεί τα διαφορετικά χαρακτηριστικά /ιδιότητες που φέρουν τα αντικείμενα που θέλουμε να απεικονίσουμε να είναι ευδιάκριτα,διαχωρίσιμα μεταξύ τους ώστε η εικόνα να "φέρει " πληροφορία.στην εικόνα MR το μέγεθος που αναπαρίστα αυτήν την πληροφορία είναι η αντίθεσή (contrast) (ή αλλίως μέσω της αντίθεσης στην grayscale εικόνα αναπαριστάται η ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 82

84 ανομοιογένεια /ανομοιομορφία /διαφορετικότητα).ανάλογα επομένως με τις ιδιότητες κάποιας περιοχής του ανθρώπινου ιστού θέλουμε να δημιούργείται μια αντίστοιχη περιοχή στην εικόνα μας η οπόια να χαρακτηρίζεται από μια τιμή φωτεινότητας..η διαφορετικότητα των τιμών φωτεινότητας ανάμεσα σε περιοχές μιας εικόνας είναι η αντίθεση που έχει η εικόνα,τον λόγο,τους μηχανισμούς ρύθμισης και την διαδικάσία δημιουργίας της θα μελετήσουμε στην συνέχεια. Γενικά,μπορούμε να καταταξουμε τους ιστούς βάση των χαρακτηριστικών που μας ενδιαφέρουν σε σωματικά υγρά (εγκεφαλονωτιαίο υγρό/ενυ,το αίμα), σε ιστούς με βάση το νερό όπως οι μυς,ο εγκέφαλος, οι νεφροί, τα έντερα και σε ιστούς με βάση το λίπος όπως είναι το λίπος και ο μυελός των οστών. Τα διαφορετικά είδη ιστών αποδίδουν σήματα με διαφορετίκό πλάτος τα οποία αποδίδονται με διαφορετικες φωτεινότητες στην εικόνα.αύτες οι διαφορές ορίζονται ως η αντίθεση της εικόνας και μας επιτρέπουν να διακρίνουμε τα όρια κάθε όμαδας ιστών.μέσω λοιπόν του MRI μας επιτρέπεται να παράγουμε εικόνας με μεγάλο εύρος αντιθεσης χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές απεικόνισεις,γνωστές κι ως ακολουθίες παλμών/σημάτων κι ελέγχοντας τα χρονικά διαστήματα εφαρμογής τους στους ιστούς.έτσι μπορούμε με κατάλληλη επιλογή αυτών των μηχανισμών να μετατρέψουμε μια περιοχή ενδιαφέροντος σε πιο σκοτεινή ή πιο φωτεινή ανάλογα με τον μηχανισμό που θα επιλέξουμε (διάκριση από την επεξεργασία εικόνας,εδώ επεμβαίνουμε στην δημιουργία του σήματος κι όχι στο αποτέλεσμα,επιλέγοντας κατάλληλη σειρα παλμών, μια περιοχή μπορεί να αποδώσει περισσότερο η λιγότερο σήμα σε σχέση με μια άλλη,επίσης συγκρινοντας με την αξονική τομογραφία,όπου μας δίνεται η δυνατότητα να απεικονίσουμε μαλακούς ιστούς ή οστά ανάλογα με τον αλγόριθμο ανακατασκευής,αλλά τα οστά πάντα θα αποδίδονται με περισσότερη φωτεινότητα,ενώ η φαιά ουσία θα ναι πάντα πιο σκούρα από την λευκή ουσία. )Θα λέγαμε επομένως πως στον μαγνητικός τομογράφος ανάλογα με τον μηχανισμό που επιλέγεται, επιφέρει και διαφορετικό τρόπο διέγερσης του βιολογικού ιστού (αντικείμενο προς απεικόνιση ) με στόχο η παραγόμενη εικόνα να αποδίδει κύρια την αντίστοιχη ιδιότητα του σώματος.διαδικασία που συνεπάγεται την απόσπαση διαγνωστικής πληροφορίας από την εκάστοτε ανατομία που απεικονίζεται.επιπλέον λόγω της ιδιαιτερότητας του φαινομένου NMR,ο μαγνητικός τομογράφος μπορεί να προσφέρει θεωρητικά απεριόριστη αναλυτικότητα,μέσω επιλογής ισχυρότερου Β 0 και απεριόριστων επαναλήψεων της εξέτασης μια που δε χρησειμοποιούνται ιοντίζουσες ακτινοβολίες. [16] Παρακάτω θα κάνουμε μια μικρή αναφορά κάποιων βασικών εννοιών,ορισμών κι όνομάτων αυτών των μηχανισμών. Όλες οι εικόνες MR παράγονται με την χρήση κάποιας ακολουθίας παλμών (κεφ.4) η οποία προγραμματιζεται και αποθηκεύεται στον υπολογιστή του Μαγνητικού τομογράφου.η ακολουθία περιέχει τους παλμούς ραδιοσυχνοτήτων (RF),παλμοί διέγερσης των πυρήνων ή εκτροπής της μαγνήτισης Μ και παλμούς βαθμίδωσης (gradient pulses) των οποίων οι χρόνοι εφαρμογής και η διάρκεια τους είναι αυστηρά ελεγχόμενοι. Επομένως μπορούμε να πούμε γενικά πως η αντίθεση στην εικόνα ελέγχεται από εξωτερικές παραμέτρους της αντίθεσης στους οποίους έχει πρόσβαση ο χειριστής του ΜΤ και περιλαμβάνουν : Τον χρόνο επανάληψης (TR από τον αγγλικό όρο Reretition Time).Είναι ο χρόνος ανάμεσα στην εφαρμογή διαδοχικών RF παλμών,μετράται σε msec. Echo time (TE).Είναι ο χρόνος ανάμεσα στην εφαρμογη του RF παλμού / την διέγερση των ιστών και την καταγραφή του σήματος από τα κατάλληλα πηνία,μετράται σε msec. Γωνία μεταπτώσεως(flip angle). Είναι η γωνία που παρεκτρέπεται η μαγνήτιση M 0 ως αποτέλεσμα της εφάρμογης του RF παλμού διέγερσης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 83

85 (Για κάθε ακολουθία παλμών που επιλέγεται υπάρχουν κι οι αντίστοιχες παράμετροι όπως Turbo-factor or echo train length (ETL/TF),Time from inversion (TI), b value.) και από εγγενής παραμέτρους στους οποίους δεν έχει πρόσβαση ο χειριστής του μαγνητικού τομογράφου κι αποτελούν φυσικά μεγέθη : Χρόνος αποκατάστασης T1. Χρόνος απόσβεσης T2. Πυκνότητα των πρωτονίων Ρόη των υγρών του σώματος. Φαινομενικός συντελεστής διάχυσης (ADC). Ανεξάρτητα από την επιλογή παλμοσειράς,tr και ΤΕ,οι τρεις εγγενής παραμετροι που αφορουν την αντίθεση επηρεάζουν την εικόνα που παράγεται από τον μαγνητικό τομογράφο.για παράδειγμα περιοχές με χαμηλο PD,όπως ο αέρας,θα είναι πάντα σκοτεινές στην εικόνα MR και περιοχές ιστών στις οποίες έχουμε κίνηση των πυρήνων μπορεί να είναι είτε σκοτεινές είτε φωτεινές ανάλογα την ταχύτητα κίνησης και την παλμοσειρα που θα χρησιμοποιηθεί.με στόχο να παραχθούν εικόνες όπου η αντίθεση θα είναι προβλεψιμη θα πρέπει να επιλέγονται παράμετροι ώστε να ενισχύουν έναν προσατολισμό στην εικόνα και να μειώνουν τους υπόλοιπους δύο. Εισαγωγικά για τα όσα θα υποθούν στην συνέχεια και σε σύνδεση με τις προηγούμενες παραγράφους αναφέρουμε οτι γενικά υπάρχουν δύο θεμελιώδης ακολουθίες παλμών που χρησιμοποιούνται για την διέγερση των ιστών (ή την ελεγχόμενη εκτροπή των μαγνητίσεων των πυρήνων με στόχο πιο ευδιάκριτο FID),η ακολουθία που ονομάζεται "ηχώ των ιδιοστροφορμών " (απόδοση στα ελληνικά),γνωστή ως spin echo ή χάρη συντομίας SE (όρος που θα υιοθετήσουμε ) και η ακολουθία gradient echo (ελληνική απόδοση "ηχω των βαθμίδώσεων "?) ή χάρη συντομίας GE (όρος που θα υιοθετήσουμε ). Η ακολουθία SE χρησιμοποιεί δύο RF παλμούς προς διέγερση των πυρήνων και απόδοση της επιθυμητής έντασης σήματος.μέσω της παλμοσειράς SE μπορούν να παραχθούν εικόνες με προσανατολισμό Τ1,Τ2 και PD ανάλογα με τις επιπρόσθετες επιλογές του χειριστή σε TR και ΤΕ.Η ακολουθία παλμών SE γενικά παράγει εικόνες με πολύ υψηλη ποιότητα αλλά ο χρόνος που απαιτείται για την εφάρμογή της είναι αρκετά μεγάλος (πολλά λεπτά/minutes).η ακολουθίες GE χρησιμοποιούν έναν παλμό RF ο οποίος ακολουθείται από έναν παλμό gradient ώστε να είναι δυνατή η μετρηση της έντασης του σήματος.μεσω της ακολουθίας GE μπορούν επίσης να παραχθούν εικόνες με προσανταολισμο T1,T2 και PD με πολύ μικρότερους χρόνους TR σε σχέση με την ακολουθία SE κι επομένως πιο σύντομες γενικότερα χρόνους σάρωσης. Όμως η απόδοση τους επηρεάζεται από την ανομοιογένεια του μαγνητικού πεδίου B 0 κι από τους άλλες χρονικές παραμέτρους.σαν αποτέλεσμα η ακολουθία GE εξαρτάται από τον χρόνο Τ2* που είδαμε νωρίτερα.σε μαγνητικούς τομογράφους νεώτερης γενιάς εικόνες που παράγονται με ακολουθίες GE και προσανατολισμό Τ2*,έχουν παρόμοια αντίθεση με εικόνες SE με Τ2 προσανατολίσμο.έτσι γίνεται συχνά η χρήση του όρου GE Τ2 *.[20] Προσανατολισμός Τ1 Εικόνες με προσανατολισμό Τ1 μπορούν να παραχθούν τόσο με επιλογή παλμοσειρλας SE όσο και με GE.Αυτό που απιτείται είναι η επίλογη μικρού χρόνου TR και TE με στόχο να εντείνουμε τις διαφορές σε T1 χρόνους χαλάρωσης ανάμεσα στους ιστούς.οι εικόνες Τ1 συνήθως έχουν εξαιρετική αντίθεση με τα υγρά να είναι αρκετά σκοτεινά,εκτός αν ειναι εν κινήση,οι ιστοί με βάση το νερό έχουν γκρίζες αποχρώσεις,ενώ οι ιστοί με βάση το λίπος τείνουν να απεικονίζονται με πολύ φωτεινά pixel.(figure 3.2).Στις εικόνες με προσανατολισμό T1 έχουμε την δυνατότητα να διακρίνουμε τα όρια μεταξυ των περιοχών διαφορετικών ιστών,την ανατομία της εκλεγόμενης προς απεικόνιση περίοχης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΤΟΜΟΓΡΑΦΟΥ Σελίδα 84

86 Προσανατολισμός T2 Οι εικόνες με προσανατολισμό Τ2 επίσης μπορούν να παραχθούν και με τις δύο βασικές παλμοσειρές,αλλά όπως είδαμε η GE ακολουθία επηρεάζονται από την ανομοιογένεια του στατικού μαγνητικού πεδίου.οι SE T2 εικόνες έχουν μεγάλους χρόνους ΤΕ και TR κι απαιτούν μεγαλύτερη χρονική διαρκεια σάρωσης από εικόνες Τ1 (οι χρόνοι σάρωσης είναι άμεσα εξαρτώμενοι από τον χρόνο TR).Κατα αυτόν τον τρόπο στην απεικόνιση τα υγρά γενικά εμφανίζονται με pixel με υψηλες φωτεινότητες,ενώ οι ιστοί παίρνουν διάφορες εντάσεις του γκρι.οι εικόνες Τ2 λόγω των χαρακτηριστικών τους βοηθούν στην διάκριση παθολογικών καταστάσεων όπως για παράδειγμα μη φυσιολογική ύπαρξη υγρού κοντά σε ιστό θα εμφανιστει με πολυ μεγάλη φωτεινότητα στην εικόνα ιδιαίτερα σε σχέση με το σκούρη απόχρωση του γκρι που θα χει ο ιστός. Εδώ πρέπει να σημειωθεί οτι η σχέση των εικόνων Τ1 και Τ2 με τους αντίστοιχους χρόνους χαλάρωσης Τ1 και Τ2 δεν είναι κοινή.πιο συγκεκριμένα στις εικόνες Τ2 ιστοί με μεγάλους Τ2s(είναι ο χρόνος χαλάρωσης με συντομία) αποδίδονται φωτεινότεροι από αυτούς με χαμηλό Τ2s.Αντίθετα σε εικόνες Τ1 ιστοί με μεγάλους χρόνους Τ1s αποδίδονται σκοτεινότεροι στην εικόνα απο ιστούς με μικρούς χρόνους T1s. Σχήμα 3-10:Οβελιαία τομή από σπονδυλική στήλη το εσωτερικό λίπος απεικονίζεται στην Τ1 εικόνα αριστερά φωτεινό,ενώ δεξιά στην εικόνα Τ2 απεικονίζεται σκοτεινά. Proton density weighting Σε μια εικόνα με προσανατολισμό PD το κύριο στοιχείο που πρέπει να αναδυχθεί είναι οι διαφορές των ιστών στην πυκνότητα των πυρήνων υδρογόνου πο περιέχουν.για να επιτευχθεί αυτό θα πρέπει οι επιρρόη των Τ1 και Τ2 μεγεθών να μειωθούν.&gamm