Ιατρική Πληροφορική. Δρ. Π. ΑΣΒΕΣΤΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Τ.Ε.

Ιατρική Πληροφορική Δρ. Π. ΑΣΒΕΣΤΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Τ.Ε. Οι διάφορες τεχνικές απεικόνισης (imaging modalities) της ανθρώπινης ανατομίας περιγράφονται κατά DICOM ως συντομογραφία δύο γραμμάτων: Ακτινογραφική απεικόνιση (φιλμ) (Radiographic Imaging RG) Υπολογιστική ακτινογραφία (Computed Radiography CR) Ψηφιακή ακτινογραφία (Digital Radiography DX) Αξονική Τομογραφία (Computed Tomography CT) Μαγνητική Τομογραφία (Magnetic Resonance MR) Υπέρηχος (Ultrasound US) Πυρηνική Ιατρική (Nuclear Medicine NM) Η πληροφορία για την απεικονιστική τεχνική που χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη μίας εικόνας δίνεται από το tag (0008,0060). 2 1

Τα απεικονιστικά μηχανήματα παράγουν μία ή περισσότερες διδιάστατες (2Δ) μήτρες που περιέχουν αριθμούς που σχετίζονται με τη φυσική ποσότητα που μετράται (π.χ. εξασθένιση ακτίνων Χ). Κάθε στοιχείο της μήτρας αντιστοιχεί σε ένα στοιχειώδες ορθογώνιο, το οποίο ονομάζεται εικονοστοιχείο (pixel). Το πλήθος των γραμμών της μήτρας αντιστοιχεί στο ύψος της εικόνας και το πλήθος των στηλών αντιστοιχεί στο πλάτος της εικόνας. 3 Οι τιμές της μήτρας που παράγει ένα απεικονιστικό μηχάνημα μπορεί να είναι αυστηρά θετικές ή να υπάρχουν και αρνητικές τιμές. Για παράδειγμα, οι τιμές μιας μήτρας αξονικής τομογραφίας (CT) μπορεί να κυμαίνονται στο εύρος [ 2048 2047]. Περιοχή εικόνας CT Μήτρα 4 2

DICOM Χαρακτηριστικά Εικόνας Rows (0028,0010): είναι το πλήθος των γραμμών της μήτρας δηλαδή το πλήθος pixels στην κατακόρυφη διάσταση της εικόνας. Columns (0028,0011): είναι το πλήθος των στηλών της μήτρας δηλαδή το πλήθος pixels στην οριζόντια διάσταση της εικόνας. Samples Per Pixel (0028,0002): Πλήθος δειγμάτων ανά pixel: Για εικόνες με διαβαθμίσεις του γκρίζου (ή μονόχρωμες εικόνες όπως λέγονται διαφορετικά), π.χ. CT ή MR, έχει την τιμή 1, το οποίο σημαίνει ότι σε κάθε pixel αντιστοιχεί ένας αριθμός. Για έγχρωμες εικόνες, όπως είναι κάποιες εικόνες υπερήχου, έχει τηντιμή3,τοοποίοσημαίνειότισεκάθεpixelαντιστοιχούντρεις αριθμοί. 5 DICOM Χαρακτηριστικά Εικόνας Photometric Interpretation (0028,0004): παρέχει αντιστοιχία μεταξύ τιμών μήτρας και χρώματος. Κάποιες από τις συνηθισμένες τιμές που λαμβάνει είναι: MONOCHROME1: μονόχρωμη εικόνα (δηλ. Samples Per Pixel =1) όπου η μικρότερη τιμή της μήτρας αντιστοιχεί στο λευκό και η μεγαλύτερη στο μαύρο. MONOCHROME2: μονόχρωμη εικόνα (δηλ. Samples Per Pixel =1) όπου η μικρότερη τιμή της μήτρας αντιστοιχεί στο μαύρο και η μεγαλύτερη στο λευκό. RGB: έγχρωμη εικόνα όπου σε κάθε pixel υπάρχουν 3 τιμές για το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε χρώμα (ή κανάλι ή επίπεδο όπως αναφέρεται συχνά). Για κάθε χρώμα, χαμηλή τιμή ερμηνεύεται ως μικρή ένταση του χρώματος. 6 3

DICOM Χαρακτηριστικά Εικόνας Planar Configuration (0028,0006): αφορά έγχρωμες εικόνες (δηλ. Samples per Pixel > 1) και αφορά στη διάταξη των τιμών για κάθε χρωματικό κανάλι. Λαμβάνει τιμή 0 ή 1: 0 = αρχικά είναι όλες οι τιμές για το πρώτο pixel, στη συνέχεια όλες οι τιμές για το δεύτερο pixel, το τρίτο pixel κ.ο.κ. Για RGB εικόνες, αυτό σημαίνει ότι η διάταξη των τιμών των pixels θα είναι R1, G1, B1, R2, G2, B2, 1 = αρχικά είναι όλες οι τιμές για το πρώτο χρωματικό κανάλι, μετά για το δεύτερο, το τρίτο κ.ο.κ. Για RGB εικόνες, αυτό σημαίνει ότι η διάταξη των τιμών των pixels θα είναι R1, R2, R3,, G1, G2, G3,, B1, B2, B3, 7 DICOM Χαρακτηριστικά Εικόνας Bits Allocated (0028,0100): προσδιορίζει πόσα bits δεσμεύονται για την αποθήκευση κάθε τιμής ενός pixel. Συνήθως είναι 8 ή 16. Bits Stored (0028,0101): προσδιορίζει πόσα bits χρησιμοποιούνται πραγματικά για την αναπαράσταση κάθε τιμής ενός pixel. Για παράδειγμα, συνήθως σε εικόνες αξονικής τομογραφίας (CT), κάθε τιμή ενός pixel αποθηκεύεται με 16 bits, αλλά μόνο τα 12 από αυτά καθορίζουν την τιμή. Τα υπόλοιπα 4 δεν πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. High Bit (0028,0102): καθορίζει ποιο είναι το πιο σημαντικό bit κάθε τιμής ενός pixel. Συνήθως είναι, κατά ένα μικρότερο από το Bits Stored. 8 4

DICOM Χαρακτηριστικά Εικόνας Pixel Representation (0028,0103): υποδηλώνειεάνοιτιμές της μήτρας είναι με πρόσημο ή χωρίς πρόσημο. Λαμβάνει τις ακόλουθες τιμές: 0τοοποίοσημαίνειότιοιτιμέςείναιχωρίςπρόσημο(δηλ.μη αρνητικές τιμές). 1 το οποίο σημαίνει ότι οι τιμές είναι με πρόσημο (δηλ. μπορεί να υπάρχουν θετικές και αρνητικές τιμές). Number of Frames (0028,0008): καθορίζει πόσες εικόνες υπάρχουν σε ένα αρχείο DICOM. Για τις συνηθισμένες απεικονιστικές τεχνικές (CR, CT, MR) πλην του υπερήχου κάθε αρχείο είναι μία εικόνα. Στον υπέρηχο συνήθως σε κάθε αρχείο υπάρχουν πολλές εικόνες. 9 DICOM Χαρακτηριστικά Εικόνας (Αριθμός Περιγραφή Επεξήγηση ομάδας,αριθμός στοιχείου) (0028,0002) Samples Per Pixel 1 για μονόχρωμες εικόνες 3 για έγχρωμες εικόνες (0028,0004) Photometric Interpretation MONOCHROME1: μονόχρωμη εικόνα, μικρότερη τιμή λευκό χρώμα MONOCHROME2: μονόχρωμη εικόνα, μικρότερη τιμή μαύρο χρώμα RGB: έγχρωμη εικόνα 3 χρωματικών καναλιών (0028,0006) Planar Configuration 0: R1, G1, B1, R2, G2, B2, 1: R1, R2, R3,, G1, G2, G3,, B1, B2, B3, (0028,0008) Number of Frames Πλήθος εικόνων που υπάρχουν στο αρχείο (0028,0010) Rows Πλήθος γραμμών (0028,0011) Columns Πλήθος στηλών (0028,0100) Bits Allocated Πλήθος bits που δεσμεύονται ανά τιμή. (0028,0101) Bits Stored Πλήθος bits που χρησιμοποιούνται ανά τιμή. (0028,0102) High Bit Πιο σημαντικό bit (0028,0103) Pixel Representation 0: τιμές χωρίς πρόσημο 1: τιμές με πρόσημο 10 5

DICOM Χαρακτηριστικά Εικόνας Με βάση τα παραπάνω το μέγεθος, (σε bytes) μίας εικόνας μπορεί να υπολογιστεί με χρήση της ακόλουθης σχέσης: όπου: 8 : Number of Frames : Samples Per Pixel : Bits Allocated Το μέγεθος του αρχείου DICOM που περιέχει την εικόνα είναι λίγο μεγαλύτερο, καθώς υπάρχουν επιπρόσθετα και τα DICOM tags με τις πληροφορίες. 11 DICOM Χαρακτηριστικά Εικόνας Για παράδειγμα, έστω ότι υπάρχουν τα ακόλουθα tags σε ένα αρχείο DICOM: (0028,0002) με τιμή 1 (0028,0004) με τιμή MONOCHROME2 (0028,0008) με τιμή 1 (0028,0010) με τιμή 672 (0028,0011) με τιμή 672 (0028,0100) με τιμή 16 (0028,0101) με τιμή 12 (0028,0102) με τιμή 11 (0028,0103) με τιμή 0 Το αρχείο περιέχει 1 εικόνα. Η εικόνα είναι μονόχρωμη όπου η μικρότερη τιμή αντιστοιχεί στο μαύρο χρώμα. Η εικόνα έχει 672 γραμμές και 672 στήλες. Σε κάθε pixel της εικόνας αντιστοιχεί μία τιμή. Για κάθε τιμή δεσμεύονται 16 bits από τα οποία χρησιμοποιούνται τα 12 bits, όπου το bit 11 είναι το πιο σημαντικό. Οιτιμέςείναιχωρίςπρόσημο(δηλ.μηαρνητικές). 12 6

DICOM Χαρακτηριστικά Εικόνας Έστω σε ένα άλλο αρχείο DICOM υπάρχουν τα ακόλουθα tags: (0028,0002) με τιμή 3 (0028,0004) με τιμή RGB (0028,0006) με τιμή 0 (0028,0008) με τιμή 15 (0028,0010) με τιμή 288 (0028,0011) με τιμή 384 (0028,0100) με τιμή 8 (0028,0101) με τιμή 8 (0028,0102) με τιμή 7 (0028,0103) με τιμή 0 Το αρχείο περιέχει 15 εικόνες. Κάθε εικόνα είναι τύπου RGB με 288 γραμμές και 384 στήλες. Σε κάθε pixel κάθε εικόνας αντιστοιχούν 3 τιμές. Οι τιμές διατάσσονται ανά pixel. Για κάθε τιμή δεσμεύονται 8 bits από τα οποία χρησιμοποιούνται και τα 8 bits, όπου το bit 7 είναι το πιο σημαντικό. Οι τιμές είναι χωρίς πρόσημο (δηλ. μη αρνητικές). 13 Όταν γίνεται επεξεργασία μίας εικόνας, πολλές φορές οι τιμές της μήτρας που παράγει το απεικονιστικό μηχάνημα μετατρέπονται στο εύρος [0, 255] και αναπαρίστανται με 1 byte. Αυτό γίνεται για λόγους επιτάχυνσης εκτέλεσης υπολογισμών, καθώς πράξεις με 1 byte εκτελούνται πιο γρήγορα από ότι πράξεις με 2 bytes. Για την μετατροπή αυτή, χρησιμοποιούνται τα ακόλουθα DICOM tags: Rescale Slope (0028,1053) Rescale Intercept (0028,1052) Window Center (0028,1050) Window Width (0028,1051) 14 7

Οι παράμετροι Rescale Slope και Rescale Intercept χρησιμοποιούνται για να μετατρέψουν τις αποθηκευμένες τιμέςτηςμήτραςστιςμονάδεςμέτρησηςπουχρησιμοποιείτο εκάστοτε απεικονιστικό μηχάνημα (π.χ. μονάδες Hounsfield εάν πρόκειται για αξονικό τομογράφο). Οι παράμετροι Window Center και Window Width ρυθμίζουν τη φωτεινότητα και την αντίθεση της εικόνας. 15 Window Center = 700 Window Width = 900 Window Center = 100 Window Width = 900 ΔΔΠΜΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΦΥΣΙΚΗ Window Center = 10 Window Width = 450 Window Center = 10 Window Width = 2000 16 8

Έστω ηδιδιάστατημήτραπουπαράγειένααπεικονιστικό μηχάνημα. Αρχικά, για κάθε στοιχείο, της αρχικής μήτρας εφαρμόζεται ο ακόλουθος μετασχηματισμός:,, Η τελική μήτρα προκύπτει με τον ακόλουθο μετασχηματισμό στη μήτρα : 0,, 2, 255,, 2 1 255 1,, 2 c:window Center, w:window Width 17 ΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ 0,, 2, 255,, 2 1 255 1,, 2,, 18 9

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Για μια ιατρική εικόνα που είναι αποθηκευμένη κατά DICOM, δίνονται τα ακόλουθα: Rescale Slope = 1 Rescale Intercept = 1024 Window Center = 600 Window Width = 1000 Να βρεθεί που θα αντιστοιχηθούν οι τιμές: α) 1050 β) 3000 γ) 1500 19 ΛΥΣΗ Έστω Χ ο πίνακας με τις τιμές της αρχική εικόνας. Αρχικά, οι τιμές του Χ μετασχηματίζονται χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους Rescale Slope και Rescale Intercept: 1024 Συνεπώς, σε πρώτη φάση έχουμε τους εξής μετασχηματισμούς: 1050 1050 1024 = 26 3000 3000 1024 = 1976 1500 1500 1024 = 476 20 10

ΛΥΣΗ Έστω c = Window Center = 600 και w = Window Width = 1000, τότε: 2 100 1 1099 2 Επειδή 26 < 100, η αρχική τιμή 1050 θα μετασχηματιστεί στο 0. Επειδή 1976 > 1099, η αρχική τιμή 3000 θα μετασχηματιστεί στο 255. Τέλος είναι 100 < 476 < 1099, οπότε θα εφαρμοστεί ο γραμμικός μετασχηματισμός: 255 1 2 255 999 476 100 95,9 21 Άρα, η αρχική τιμή 1500 θα μετασχηματιστεί στην τιμή 96. Συνήθως, τα τομογραφικά απεικονιστικά μηχανήματα (CT, MR κ.λπ.) σαρώνουν μία συγκεκριμένη περιοχή του ανθρώπινου σώματος, παράγοντας ένα σύνολο εικόνων (ή τομές slices). Οι εικόνες μπορούν να ληφθούν σε τρία επίπεδα: 22 Εγκάρσιο (αξονικό) επίπεδο Στεφανιαίο επίπεδο Οβελιαίο επίπεδο 11

Το πρότυπο DICOM για να περιγράψει τον προσανατολισμό μίας εικόνας ως προς τον ασθενή χρησιμοποιεί ένα σύστημα z συντεταγμένων αναφοράς (Reference Coordinates System RCS) στο οποίο: y Ο άξονας x έχει κατεύθυνση από δεξιάπροςτααριστερά(right to left) x του ασθενή. Ο άξονας y έχει κατεύθυνση από μπρος προς τα πίσω (anterior to posterior). Ο άξονας z έχει κατεύθυνση από τα πόδια προς το κεφάλι (feet to head). 23 Στο επίπεδο της εικόνας, το πρότυπο DICOM θεωρεί ένα δεύτερο σύστημα συντεταγμένων, για το οποίο 0,0 i ισχύει ότι: η αρχή των αξόνων 0,0 είναι το πάνω αριστερά pixel της εικόνας Ο άξονας έχει κατακόρυφο προσανατολισμό με θετική κατεύθυνση από πάνω προς τα κάτω. Ο άξονας έχει οριζόντιο προσανατολισμό με θετική κατεύθυνση από αριστερά προς τα j δεξιά. 24 12

Αξονική (axial) ή εγκάρσια (transverse) τομή. i Anterior x Right Left Σύστημα συντεταγμένων ασθενή (RCS) j Σύστημα συντεταγμένων εικόνας Posterior y 25 Στεφανιαία (Coronal) τομή. i Head x j Σύστημα συντεταγμένων εικόνας Right Feet Left -z Σύστημα συντεταγμένων ασθενή (RCS) 26 26 9/1/2017 13

Οβελιαία (Sagittal) τομή. i Head y Anterior Posterior Σύστημα συντεταγμένων ασθενή (RCS) j Σύστημα συντεταγμένων εικόνας Feet -z 27 27 9/1/2017 To πρότυπο DICOM ορίζει το tag Image Orientation Patient (0020,0037) για να περιγράψει τον προσανατολισμό μίας εικόνας. Τοtagαυτόαποτελείταιαπό6αριθμούς,,,,, (συνημίτονα κατεύθυνσης) όπου: είναιτοσυνημίτονοτηςγωνίαςπουσχηματίζειηπρώτη γραμμή της εικόνας με τον άξονα x του RCS. είναιτοσυνημίτονοτηςγωνίαςπουσχηματίζειηπρώτη γραμμή της εικόνας με τον άξονα y του RCS. είναιτοσυνημίτονοτηςγωνίαςπουσχηματίζειηπρώτη γραμμή της εικόνας με τον άξονα z του RCS. είναιτοσυνημίτονοτηςγωνίαςπουσχηματίζειηπρώτη στήλη της εικόνας με τον άξονα x του RCS. είναιτοσυνημίτονοτηςγωνίαςπουσχηματίζειηπρώτη στήλη της εικόνας με τον άξονα y του RCS. είναι το συνημίτονο της γωνίας που σχηματίζει η πρώτη στήλη της εικόνας με τον άξονα z του RCS. 28 14

Για εγκάρσια τομή: η πρώτη γραμμή της εικόνας είναι παράλληλη με τον άξονα και 1 κάθετη στους 2 άλλους άξονες 0 0 η πρώτη στήλη είναι παράλληλη με τον άξονα και κάθετη 0 στους 2 άλλους άξονες 1 0 29 Για στεφανιαία τομή: η πρώτη γραμμή της εικόνας είναι παράλληλη με τον άξονα και 1 κάθετη στους 2 άλλους άξονες 0 0 η πρώτη στήλη είναι αντιπαράλληλη με τον άξονα (δηλαδή παράλληλη με τον άξονα ) και κάθετη στους 2 άλλους άξονες 0 0 1 30 15

Για οβελιαία τομή: η πρώτη γραμμή της εικόνας είναι παράλληλη με τον άξονα και 0 κάθετη στους 2 άλλους άξονες 1 0 η πρώτη στήλη είναι αντιπαράλληλη με τον άξονα (δηλαδή παράλληλη με τον άξονα ) και κάθετη στους 2 άλλους άξονες 0 0 1 31 DICOM Μετατροπή από θέση pixel σε συνταγμένες RCS Σε μία εικόνα, η θέση κάθε pixel καθορίζεται από δύο αριθμούς,,όπου δίνει τη γραμμή και δίνει τη στήλη στην οποία ανήκει το pixel. Η μετατροπή σε συντεταγμένες του RCS μπορεί να γίνει με χρήση του tag Image Orientation Patient (0020,0037) που αναφέρθηκε προηγουμένως, καθώς και των ακόλουθων 2 tags: Image Position Patient (0020,0032): περιέχει 3 αριθμούς που είναι οι συντεταγμένες,, του πάνω αριστερά pixel της εικόνας (δηλαδή του pixel (0,0)) ως προς το RCS. Pixel Spacing (0028,0030): περιέχει δύο αριθμούς, που ορίζουν την κατακόρυφη και οριζόντια απόσταση (σε mm) μεταξύ δυο γειτονικών pixels, αντίστοιχα. 32 16

DICOM Μετατροπή από θέση pixel σε συνταγμένες RCS Image Position Patient,, Pixel Spacing ( ) Image Orientation Patient,, Pixel Spacing ( ) Image Orientation Patient,, 33 DICOM Μετατροπή από θέση pixel σε συνταγμένες RCS Η απεικόνιση της θέσης ενός pixel, στο σύστημα συντεταγμένων του ασθενή γίνεται με βάση τις σχέσεις: όπου, :θέσηpixel(το υποδηλώνει τη γραμμή και το τη στήλη),, : οι συντεταγμένες στο σύστημα συντεταγμένων του ασθενή,, : Image Position Patient, : Pixel Spacing,,,,, : Image Orientation Patient 34 17

DICOM Μετατροπή από θέση pixel σε συνταγμένες RCS Για εγκάρσια τομή:,, 1,0,0,, 0,1,0 Δ j Δj Για στεφανιαία τομή:,, 1,0,0,, 0,0, 1 Δ Για οβελιαία τομή:,, 0,1,0,, 0,0, 1 Δ j Δj j Δj 35 DICOM Μετατροπή από θέση pixel σε συνταγμένες RCS Παράδειγμα Για μία τομή ισχύουν τα ακόλουθα: το πάνω αριστερά pixel έχει συντεταγμένες (0mm, 140mm, 140mm) (Image Position Patient) Η απόσταση μεταξύ των pixels είναι (1.0938mm, 1.0938mm) (Pixel Spacing) Τα συνημίτονα κατεύθυνσης (Image Orientation Patient) για τον οριζόντιο και κατακόρυφο άξονα της εικόνας είναι (0,1,0) και (0,0, 1), αντίστοιχα Τι είδους τομή είναι (αξονική, οβελιαία, στεφανιαία); Να υπολογιστούν οι συντεταγμένες του pixel (100,50) στο RCS. 36 18

DICOM ΕΙΚΟΝΑ Παράδειγμα υπολογισμού συντεταγμένων Από τα συνημίτονα κατεύθυνσης προκύπτει ότι η πρώτη γραμμή της εικόνας συμπίπτει με τον άξονα και η πρώτη στήλη με τον άξονα. Συνεπώς, πρόκειται για οβελιαία τομή. Για το pixel (100,50) είναι: x, y, z 0mm, 140mm,140mm x, y, z, x, y, z 0,1,0,0,0, 1 S S S j, i 1.0938mm,1.0938mm X X X Y Y Y ji, 100,50 Px Sx 0mm Py Sy i i 140mm 50 1,0938mm 85.31mm P S j j 140mm 100 1,0938mm 30.62mm z z 37 19