Ψηφιακή απεικόνιση Μέσα καταγραφής Π. Γκρίτζαλης
Βασικό μοντέλο Ιατρικής Απεικόνισης Ενέργεια Αλληλεπίδραση Σήμα Μέσο καταγραφής Επεξεργασία σήματος Εικόνα
Η κύρια εξέλιξη της κλασικής ακτινογραφίας τα τελευταία χρόνια αφορά στη μετάβαση στη ψηφιακή εποχή.
Μέχρι πρότινος η αναλογική ακτινογραφία έκανε χρήση του συμβατικού ακτινοευαίσθητου φιλμ, το οποίο δεχόταν την ακτινοβολία Χ και την αποθήκευε στη δημιουργούμενη λανθάνουσα εικόνα του ακτινολογικού φιλμ.
Η τελική ακτινολογική εικόνα αναδεικνυόταν μετά από κατάλληλη χημική επεξεργασία του φιλμ, με την χρήση υγρών εμφάνισης και στερέωσης. Τελικό προϊόν
Η αλματώδης ανάπτυξη της τεχνολογίας και η είσοδος των ηλεκτρονικών υπολογιστών (Η/Υ) στην ιατρική ακτινολογία επηρέασε σημαντικά όλους τους τομείς της διάγνωσης και θεραπείας.
Το 1972 ο G. Hounsfield κατασκεύασε για την Αγγλική εταιρεία ΕΜΙ την πρώτη μονάδα υπολογιστικής τομογραφίας που μπήκε σε κλινική εφαρμογή Το 1979 οι Hounsfield και Cormack πήραν το βραβείο Νόμπελ της Ιατρικής αφού η κλινική χρησιμότητα της μεθόδου είχε πια καθιερωθεί.
Πολυάριθμες επιστημονικές μελέτες μέχρι σήμερα, έχουν δείξει ότι: η ψηφιακή ακτινογραφία βελτιώνει τη διαγνωστική ακρίβεια, ελαχιστοποιεί τους κινδύνους που σχετίζονται με την ακτινοβολία, και βελτιστοποιεί τη θεραπευτική παρέμβαση, τόσο για τους ασθενείς, όσο και για τους οδοντιάτρους. Τα πλεονεκτήματα αυτά διευκόλυναν την αποδοχή αυτής της μορφής απεικόνισης έναντι της συμβατικής ακτινογραφίας από τους οδοντιάτρους παγκοσμίως.
ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΙΚΟΝΑ
Ορισμός
Είναι η αναπαράσταση μιας οπτικής πληροφορίας ( μιας εικόνας) σε μορφή κατανοητή από υπολογιστή. Η πληροφορία έχει αποθηκευτεί στον υπολογιστή ως κανονική ακολουθία αριθμών, καθένας από τους οποίους αντιπροσωπεύει την ένταση του φωτός σε κάθε σημείο. Η πληροφορία στο δίσκο του υπολογιστή δεν είναι η ίδια εικόνα, αλλά ένα σύνολο από σύμβολα από τα οποία ανακατασκευάζεται η εικόνα. Η είσοδος είναι μια συμβολική περιγραφή και η έξοδος είναι η εικόνα.
ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ
Ο όρος ψηφιοποίηση (digitization στα αγγλικά) είναι ένας τρόπος αποτύπωσης και αποθήκευσης εικόνων χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των υπολογιστών.
Αναλυτικότερα ψηφιοποίηση είναι η μετατροπή των πληροφοριών σε γλώσσα αναγνωρίσιμη από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή.
ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ Μετατροπή του συνεχούς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Εισαγωγή της αναλογικής εικόνας στον υπολογιστή
Οι τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε αυτό το συνεχές σήμα με τις άπειρες τιμές.
Είναι αναγκαίο να επιλεγούν μερικές μόνο από τις άπειρες τιμές οι οποίες και θα μεταφερθούν στον υπολογιστή. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται δειγματοληψία.
Δειγματοληψία
Όσο μικρότερη είναι απόσταση μεταξύ των τιμών της δειγματοληψίας τόσο περισσότερη η πληροφορία που ψηφιοποιείται
Η διαδικασία αντιστοίχισης των τιμών του αναλογικού σήματος σε ψηφιακές τιμές λέγεται κβάντωση
Στον υπολογιστή η αντιστοίχιση των αριθμών γίνεται με την χρήση του δυαδικού συστήματος και η ακρίβεια της εγγραφής καθορίζεται από τον αριθμό των bits (Binary digits) που αφιερώνεται για κάθε μέτρηση.
Σε ότι αφορά στην ψηφιακή ακτινογραφία η ψηφιοποίηση στηρίζεται σε αυστηρούς κανόνες που εξασφαλίζουν την μη απώλεια πληροφοριών
Ένα παράδειγμα γλώσσας του ηλεκτρονικού υπολογιστή είναι το δυαδικό σύστημα. Το δυαδικό σύστημα ή αλλιώς binary system δηλώνει ότι οι πληροφορίες που εισάγουμε στον ηλεκτρονικό υπολογιστή μετατρέπονται και παρουσιάζονται με δυο μόνο ψηφία το και το 1 τα οποία ονομάζονται binary digits ή εν συντομία bits τα οποία αντιπροσωπεύουν τη παροχή ρεύματος ή όχι στον υπολογιστή καθώς είναι η μόνη λειτουργία, που αντιλαμβάνεται ο υπολογιστής.
Κάθε ψηφίο στη δυαδική αναπαράσταση λέγεται bit και κάθε bit μπορεί να πάρει δύο και μόνο δύο τιμές το ή το 1. Οκτώ Bits στην σειρά µας δίνουν ένα Byte. Το Byte δηλαδή είναι ένας αριθμός που αποτελείται από 8bits π.χ.(111).
Προκειμένου να μετατραπεί μια αναλογική εικόνα σε ψηφιακή εικόνα, θα πρέπει αυτή να καταγραφεί τόσο: σε χωρικό επίπεδο, όσο και σε επίπεδο έντασης (βάθους) χρώματος.
Η αρχιτεκτονική της ψηφιακής εικόνας
Pixels εικονοστοιχεία σε οριζόντιες σειρές και κατακόρυφες στήλες Όσο μεγαλύτερος ο αριθμός των pixels ή όσο μικρότερο το μέγεθος τους, τόσο καλύτερη είναι η ποιότητα της ψηφιακής καταγραφής της αναλογικής εικόνας
Για μια εικόνα δεδομένων διαστάσεων, όσο αυξάνει ο αριθμός των pixels από 64 (Ι) σε 256 (ΙΙ), τόσο μικραίνει το μέγεθος τους και άρα η ανάλυση της εικόνας γίνεται μεγαλύτερη
Το μέγεθος που δείχνει από πόσα pixels αποτελείται μια ψηφιακή εικόνα στη μονάδα του μήκους λέγεται ανάλυση εικόνας (image resolution) και μετριέται συνήθως σε ppi (pixels per inch) για τις οθόνες, και σε dpi (dots per inch) για τις εκτυπώσεις.
ΜΗΧΑΝΙΚΗ-ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΤΩΝ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ
Κατηγοριοποίηση της ψηφιακής ακτινογραφίας ανάλογα με τον τρόπο μετατροπής της ακτινικής ενέργειας σε ηλεκτρικό φορτίο και ανάλογα με το υλικό και την διάταξη του ανιχνευτή.
high resolution > 2 lp/mm
Τα συστήματα άμεσης ψηφιακής ακτινογραφίας μέσου ενός ειδικού αισθητήρα ακτινοβολίας (Sensor) μετατρέπουν άμεσα τις ακτίνες Χ σε ηλεκτρικό σήμα. Αυτό σημαίνει ότι εντός του αισθητήρα, πέρα από το μέσο καταγραφής των ακτίνων Χ, βρίσκεται και το μέσο άμεσης ανάγνωσης και μετατροπής σε ηλεκτρικό σήμα, το οποίο στη συνέχεια μεταφέρεται άμεσα ενσύρματα ή ασύρματα στον Η/Υ. Οι
Αισθητήρες στερεάς κατάστασης CCD Ηλεκτρονικές συσκευές CMOS CID
Οι ανιχνευτές στερεάς κατάστασης διακρίνονται σε 3 βασικές κατηγορίες: 1. CCD ανιχνευτές (charge-coupled devices)
Οι ανιχνευτές στερεάς κατάστασης διακρίνονται σε 3 βασικές κατηγορίες: 1. CCD ανιχνευτές (charge-coupled devices)
Δημιουργία εικόνας στους αισθητήρες CCD H δημιουργία των φορτίων e e e e e e e e e Τάση ρεύματος V ADC
Οι ανιχνευτές στερεάς κατάστασης διακρίνονται σε 3 βασικές κατηγορίες: 2. CMOS ανιχνευτές (Complementary Metal Oxide Semiconductors)
Οι ανιχνευτές στερεάς κατάστασης διακρίνονται σε 3 βασικές κατηγορίες: 3. Επίπεδοι ανιχνευτές (flat panel detectors, FPD)
Παράμετροι αξιολόγησης ψηφιακών αισθητήρων Ενεργός περιοχή (active area ) Διαστάσεις του αισθητήρα Δυναμικό εύρος ( dynamic range ) Ισοδύναμο μεγέθους φιλμ Πλήθος εικονοστοιχείων ( pixel matrix ) Μέγεθος εικονοστοιχείου ( pixel size ) Χρόνος ανάγνωσης (readout time ) Ανάλυση εικόνας ( image resolusion ) Αναλογία σήματος /θόρυβο (Signal-to-Noise Ratio )
ΕΜΜΕΣΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΑ
ΕΜΜΕΣΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΑ
Στην έμμεση ψηφιακή ακτινογραφία η «λανθάνουσα εικόνα» σχηματίζεται απ ευθείας επάνω στην ίδια την πλάκα φωσφορίζουσας ουσίας (phosphor plate), η οποία έχει την ιδιότητα να αποθηκεύει προσωρινά, τμήμα της ενέργειας των ακτίνων Χ, και όχι επάνω σε φιλμ.
Αυτό βασίζεται στο φαινόμενο του φωσφορισμού (phosphorescence). Φωσφορισμός είναι η εκπομπή φωτός από μία ουσία, μετά την έκθεσή της σε πηγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και την απορρόφηση μέρους της ενέργειας της ακτινοβολίας, η οποία εκπομπή φωτός, συνεχίζεται και μετά την απομάκρυνση της αρχικής πηγής.
Δημιουργία εικόνας στις πλάκες αποθήκευσης φωσφορίζουσας ουσίας (Phosphor- Storage Plates, PSP) φωσφορισμός στιβάδα αγωγιμότητας ορατό φως ακτινοβολία στιβάδα σθένους
Σύμφωνα με αυτά, η έμμεση ψηφιακή ακτινογραφία χρησιμοποιεί μια πλάκα που μπορεί να φωτοδιεγερθεί (διότι παρουσιάζει το φαινόμενο του φωσφορισμού), αντικαθιστώντας τα κλασσικά φιλμ.
Η πλάκα αυτή είναι ίδιων διαστάσεων με τα συμβατικά αναλογικά φιλμ τόσο για τις ενδοστοματικές ακτινογραφίες όσο και για τις εξωστοματικές και δεν απαιτείται καμία αλλαγή στο ακτινογραφικό μηχάνημα. Η λήψη της ενδοστοματικής ή εξωστοματικής ακτινογραφίας μπορεί να γίνει ακριβώς με τον ίδιο τρόπο που γίνονταν με τα αναλογικά φιλμ.
Η λήψη της ακτινογραφίας αποτελείται από 3 στάδια:
α) έκθεση Γίνεται η τεχνική λήψης της ακτινογραφίας ( όπως περιγράφεται ) με μέσον καταγραφής αντί του ακτινογραφικού φιλμ την πλάκα φωσφόρου
β) σάρωση
Μια ακτίνα laser ερυθρού χρώματος 6nm χτυπάει σημειακά την πλάκα φωσφόρου και μπορεί να διεγείρει διαδοχικά τους κρυστάλλους φωσφόρου απελευθερώνοντας τα εγκλωβισμένα ηλεκτρόνια, εκπέμποντας ταυτόχρονα μπλε πράσινο φως που συλλέγεται και καταγράφεται και μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα από έναν φωτοπολλαπλασιαστή
Δημιουργία εικόνας στις πλάκες αποθήκευσης φωσφορίζουσας ουσίας «λανθάνουσα εικόνα» (latent image) Φωτοπολ/στής Α/D converter
Η σάρωση μιας οπισθοφατνιακής ακτινογραφίας με τα σύγχρονα μηχανήματα διαρκεί από 1 μέχρι 15 δευτερόλεπτα ενώ μιας κεφαλομετρικής ακτινογραφίας περίπου 3 δευτερόλεπτα.
γ) διαγραφή Οι πλάκες φωσφόρου είναι έτοιμες για επαναχρησιμοποίηση, οπότε τοποθετούνται πάλι σε κασέτες χωρίς ενισχυτικές πινακίδες, αν πρόκειται για εξωστοματική χρήση, ή αν πρόκειται για ενδοστοματική χρήση, μπαίνουν σε υδατοστεγή σακουλάκια μιας χρήσης που δεν επιτρέπουν την διέλευση του φωτός.
Φυσικά χαρακτηριστικά της ψηφιακής ακτινογραφίας Χωρική διακριτική ικανότητα ( spatial resolution ) Διακριτική ικανότητα χαμηλής αντίθεσης ( contrast resolusion ) Ανάλυση εικόνας (image resolusion, spatial frequency ) Θόρυβος (noise )
Βασικά χαρακτηριστικά της ψηφιακής εικόνας
Βασικά χαρακτηριστικά της ψηφιακής εικόνας 2 1 144 198 2 1 164 116 8 8 8 8 4 72 7 9 52 192 98 9 214 114 88 14 132 7 22 132 9 5 184 142 14 9 92 9 124 11 9 Pixels matrix 2 1 44 19 2 1 14 11 8 8 8 8 4 7 2 7 9 5 2 19 2 9 8 9 214 11 4 8 8 14 13 2 7 22 13 2 9 5 18 4 14 2 14 9 9 2 9 12 4 11 9
5 9 11 12 4 9 9 2 9 8 1 2 5 2 4 1 9 2 13 2 7 2 8 8 14 7 7 8 11 14 9 8 8 9 14 14 2 13 2 11 4 9 8 18 4 22 214 19 2 44 19 Ψηφιακή εικόνα Ανάλυση (resolution) (χωρική διακριτική ικανότητα, spatial resolution) Aντίθεση (contrast) (αντιθετική διακριτική ικανότητα, contrast / gray-scale resolution) Μέγεθος του pixel (pixel size) Bάθος του pixel (pixel depth) [Bάθος χρώματος (color depth)] Pixel 1 2 255
Ανάλυση (resolution) Ψηφιακή εικόνα Εκφράζει την ικανότητα του συστήματος να απεικονίζει σαν ξεχωριστές οντότητες δύο λεπτομέρειες (δομές), πολύ μικρών διαστάσεων, που βρίσκονται πολύ κοντά η μία στην άλλη. Εξαρτάται από το μέγεθος των pixels Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του pixel και όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός τους τόσο αυξάνει η ανάλυση της εικόνας πιο ευκρινής, λεπτομερειακή εικόνα
Ανάλυση (resolution) 1 x 7 pixels 5 x 35 pixels 2 x 135 pixels 5 x 335 pixels
Ανάλυση (resolution) Μέγεθος pixel: 19μm - 8μm Aνάλυση του ψηφιακού συστήματος: 1-2 ζεύγη γραμμών ανά χιλ. (lp/mm) Trophy/RVGui Gendex/Visualix Planmeca/Dixi2 Soredex/Digora Sirona/Sidexis Μatrix size Pixel size Resolution 184x136 19.5 μm > 2 lp/mm 684x456 44 > 1 184x136 19 13 628x466 64 7.8 1743x1333 19.5 > 2
Aντίθεση (contrast) Ψηφιακή εικόνα Χαρακτηρίζει την ικανότητα ενός απεικονιστικού συστήματος να διακρίνει δομές που έχουν πολύ χαμηλή αντίθεση ως προς το περιβάλλον τους. 125 127 Εξαρτάται από το βάθος του pixel: Ο αριθμός των bits που αντιστοιχούν σε κάθε pixel. Εκφράζει τον συνολικό αριθμό των χρωμάτων ή των αποχρώσεων του γκρίζου που μπορούν να απεικονιστούν στην εικόνα
Aντίθεση (contrast) βάθος του pixel: 2 bits = 2 2 = 4 αποχρώσεις κλίμακα του γκρίζου 1 2 3 Δυαδικοί αριθμοί 1 1 11 4 bits = 2 4 = 16 αποχρώσεις κλίμακα του γκρίζου 8 bits = 2 8 = 256 αποχρώσεις.5.1.. 15 Δυαδικοί αριθμοί. 11... 111.. 1111 125 255 12 bits = 2 12 = 4.96 16 bits = 65.536 111111 11111111
Aντίθεση (contrast) Όσο περισσότερα bits χρησιμοποιεί το σύστημα τόσο περισσότερες αποχρώσεις του γκρίζου/χρώματα έχει η εικόνα τόσο καλύτερη είναι η αντίθεση της εικόνας πιο εύκολα μπορούν να απεικονιστούν χρωματικά γειτονικές περιοχές με μικρή διαφορά στην πυκνότητά τους, με ελαφρώς διαφορετική απόχρωση του γκρίζου 4 αποχρώσεις του γκρίζου 16 αποχρώσεις του γκρίζου
Aντίθεση (contrast) 3 bits, 8 colors 8 bits, 256 colors
Aντίθεση (contrast) 1bit, 2 colors 2 bits, 4 colors 8 bits, 256 colors Ιστόγραμμα των συχνοτήτων του γκρίζου 255
Aντίθεση (contrast) Ιστόγραμμα των συχνοτήτων του γκρίζου - 255-1 155-255
Ιστόγραμμα της ψηφιακής εικόνας Η ταυτότητα της ψηφιακής εικόνας
Δυνατότητες εικόνας ψηφιακής
Διαχείριση Επεξεργασία
Διαχείριση Ψηφιακή αρχειοθέτηση Συμβατότητα με ηλεκτρονικούς φακέλους ασθενών Επανάκτηση της εικόνας όσες φορές χρειαστεί Διαθέσιμα άπειρα αντίγραφα χωρίς απώλειες Μεταφορά της εικόνας με το email
Επεξεργασία
Σήμερα η επεξεργασία και ανάλυση της ψηφιακής εικόνας είναι ένας σύνθετος τομέας της ψηφιακής ακτινογραφίας που βρίσκεται στη διασταύρωση: των εφαρμοσμένων μαθηματικών, της επιστήμης των υπολογιστών, της φυσικής, των στατιστικών και των βιοιατρικών επιστημών
Διακρίνεται: Στην επεξεργασία που γίνεται αυτόματα από το λογισμικό αμέσως μετά τη λήψη της ψηφιακής ακτινογραφίας και πριν την προβολή της στην οθόνη του Η/Υ Και στην επεξεργασία που γίνεται από τον θεράποντα οδοντίατρο ανάλογα με υην περίπτωση και τον διαγνωστικό σκοπό
Δυνατότητα επεξεργασίας της ψηφιακής εικόνας φωτεινότητα αντίθεση αύξηση οξύτητας αφαίρεση θορύβου μεγέθυνση δυνατότητα μετρήσεων αντιστροφή χρωμάτων ψευδοχρώματα ψευδο 3D
Στόχος και επιθυμία είναι η δημιουργία εικόνων με σωστή τεχνική και επεξεργασία
Τελικό προϊόν
5 9 11 124 9 92 9 52 9 132 14 14 142 184 4 72 7 9 132 22 8 1 8 7 8 88 9 114 98 214 192 2 1 2 8 116 164 144 198 5 9 11 124 9 92 9 52 9 132 14 14 142 184 4 72 7 9 132 22 8 1 8 7 8 88 9 114 98 214 192 2 1 2 8 116 164 144 198
Η επεξεργασία της ψηφιακής εικόνας έχει στόχο την βελτίωση των χαρακτηριστικών της εικόνας
Φωτεινότητα Αντίθεση
Αντιστροφή Χρωματική απόδοση
Η σταδιακή αύξηση της οξύτητας δεν αυξάνει τη διαγνωστική αξία της ακτινογραφίας και μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση ψευδούς παθολογίας ή απόκρυψη αυτής
Η ψηφιακή ακτινογραφία επιτρέπει λεπτομερείς μετρήσεις ωστόσο δεν σημαίνει ότι αυτές είναι πάντα έγκυρες
Η ψηφιακή ακτινογραφία επιτρέπει τη μεγέθυνση της εικόνας αλλά πάντα πρέπει να υπάρχει ένα όριο στο πόσο μπορούμε να μεγεθύνουμε την εικόνα
Αφαίρεση θορύβου
Από τα δυο διαθέσιμα συστήματα για άμεση ενδοστοματική ακτινογραφία, το σύστημα με τις πλάκες φωσφόρου υπερτερεί γιατί; Πλάκες φωσφόρου Αισθητήρες ηλεκτρονικοί Φιλική εργονομία Είναι λεπτές Είναι εύκαμπτες Προσφέρονται και για την παράλληλη τεχνική Καλύπτουν επιφάνειες όπως το ακτινογραφικό φιλμ «Κακή» εργονομία Είναι ογκώδεις Είναι σκληροί και άκαμπτοι Δεν προσφέρονται για την παράλληλη τεχνική Η επιφάνεια που καλύπτουν είναι μικρότερη Προκαλούν δυσφορία και πόνο στους ασθενείς Πολλές επαναλήψεις λόγω των συχνών σφαλμάτων