«Ιατρική Εικόνα» Κωνσταντίνος Λουκάς Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής Ιατρική Σχολή ΕΚΠΑ e-mail: cloukas@med.uoa.gr
Περίγραμμα 1. Εισαγωγικά στοιχεία 2. Ψηφιοποίηση εικόνας & σήματος 3. Τρόποι απόκτησης ιατρικών εικόνων 4. Επεξεργασία εικόνας (!) 5. Πρωτόκολλα επικοινωνίας 6. Σύγχρονες απεικονιστικές τεχνικές 2
Εισαγωγή Γιατί εικόνα?? Διαγνωστική πληροφορία σε 2 διαστάσεις. Δυνατότητα σύγκρισης (πριν/μετά/μεταξύ) Απεικόνιση ανατομικών - δομικών - μορφολογικών ή/και λειτουργικών χαρακτηριστικών. Διαθεσιμότητα Επικοινωνία Επεξεργασία Αναγνώριση, ποσοτικές μετρήσεις (!) Συνδυαστική μελέτη διαφορετικών μεθόδων Αναλογική /Ψηφιακή Ψηφιακή 3
Εικόνα - Χρόνος Διαστάσεις (Ι) Ιατρική Εικόνα Στατική Βίντεο 2D (Ακτινογραφία) (Βρογχοσκόπηση) 3D (Απόδοση όγκου) (Υπέρηχος 4D) 4
Εικόνα - Χρόνος Διαστάσεις (ΙΙ) Απόδοση όγκου (Volume Rendering) 2D Video 4D US 5
Τεχνικές Διαγνωστικής Απεικόνισης Τεχνικές Προβολής Προβολή οργάνου σε 2D Αλληλοεπικάλυψη ιστών Απαιτούνται πολλαπλές προβολές Περιορισμένη πληροφορία Εύκολη, γρήγορη, φθηνή! Στεφανιαία Τομή Τομογραφικές Τεχνικές Λεπτές τομές Διάφορα επίπεδα-τμήματα Μεγαλύτερη λεπτομέρεια Πλούσια πληροφορία Μικρότερος «θόρυβος» Όχι πάντα εύκολη, λιγοτ. φθηνή! Εγκάρσια Τομή Οβελιαία Τομή 6
Αρχές απεικόνισης Εικόνα: «μήκος», «πλάτος» (# pixels) και «βάθος pixel»!! πλάτος μήκος 7
Η ποιότητα εικόνας εξαρτάται κατά μεγάλο βαθμό από (α) τον αριθμό δειγμάτων που παίρνει το σύστημα ΚΑΙ (β) τον αριθμό χρωμάτων (διαβαθμίσεων του γκρι) Πλάτος (π.χ. Μ pixels) Το σήμα εξόδου (volts) του ανιχνευτή μετατρέπεται σε «χρώμα» Μήκος (π.χ. N pixels) Αριθμός διαβαθμίσεων γκρι (π.χ. 256) 8
Ευκρίνεια (Resolution) Χωρική (Μ Ν) 300 300 150 150 75 75 37 37 18 18 # bits «Χρωματική» (# Grey-Levels: τιμές αμαύρωσης) 2 8 =256 2 6 =64 2 4 =16 2 2 =4 2 1 =2 9
Ψηφιοποίηση & Χ rays, I X-ray ψηφιακή εικόνα με τεχνολογία CCD Σπινθηριστής ( μετατρέπει τις ακτίνες Χ σε φώς) pixe ls Οπτική ίνα ( φέρνει σε επαφή το φώς με το CCD και κόβει τις σκεδάσεις και τις ακτίνες Χ) CCD ( μετατρέπει το ορατό φώς σε ηλεκτρόνια -ρεύμα) CCD ADC Ηλεκτρονικά κυκλώματα ( ενισχύουν το ηλεκτρικό σήμα και το μετατρέπει απο αναλογικό σε ψηφιακό) Digital radiography 10 0301
Ψηφιοποίηση & Χ rays, II Άμεση επαφή Σπινθηριστή - CCD ψηφιακός αισθητήρας Σπινθηριστής CCD Κεραμικό υπόστρωμα 11 Οπτικές Ίνες CCD Dimax2 digital panoramic x-ray 0301
Ψηφιοποίηση & Χ rays, III x-ra ys light x-ra ys light Νέο Υλικό Σπινθηριστή Crystalline Α Amorphous Β Dixi2 digital intraoral x-ray Νέο υλικό σπινθηριστή κρυσταλλικής υφής (Α) Χωρίς σκέδαση Δεν απαιτείται πλέον οδηγός φωτός Χρησιμοποιείται πλέον παχύτερος κρύσταλλος Περισσότερο φώς στο CCD Καλλύτερη απόδοση 0301 Νέες Τεχνολογίες: 1. Διαχωρισμός Σπινθηριστή σε στοιχειώδεις μονάδες (όπως CCD). 2. Τεχνολογία SPP. Επαναχρησιμοποιήσιμη πλάκα Φωσφόρου - «Διαβάζεται» με laser. 12
13 Αισθητήρες CCD I
14 Αισθητήρες CCD II
15 Τι αποδοτικότητα έχει ένα CCD
Αναλογικά/Ψηφιακά Σήματα Ι Αναλογικό σήμα: συνεχής μεταβολή φυσικού μεγέθους στο χρόνο! π.χ. διακύμανση ηλεκτρ. τάσης λόγω κυμάτων πίεσης σε κάποιο μέσο (ηχητικό κύμα) Ψηφιακό σήμα: συνεχής μεταβολή διακριτών τιμών φυσικού μεγέθους στο χρόνο αλληλουχία αριθμών (τιμών) αλληλουχία ψηφίων! t 0.0 0.10 0.20 s 0.0 0.59 0.95 0.30 0.40 0.95 0.59 16
Αναλογικά/Ψηφιακά Σήματα ΙΙ Μετατροπέας Αναλογικού σε Ψηφιακό 17
ADC, από τι εξαρτάται?? (Ι) 1. Ακρίβεια (resolution): αριθμός δεκαδικών ψηφίων αριθμός bits 10.000 1111» 9.375.... 0001» 0.625 0000» 0.000 18 Δειγματοληψία με ακρίβεια: 3 bits (2 3 =8 υποδιαιρέσεις) 4 bits (2 4 = 16 υποδιαιρέσεις) Υποδιαίρεση τιμής σήματος: 1.25 Volts 0.625 Volts Μικρότερη τιμή που μπορούμε να καταγράψουμε: 10 1/2 3 = 10/8 = 1.25 10 1/2 4 = 10/16 = 0.625
ADC, από τι εξαρτάται?? (ΙΙα) 2. Ρυθμός Δειγματοληψίας (πόσο γρήγορα «παίρνουμε» δείγματα) Δt Δt/2 Δειγματοληψ.Χρόνου: Κάθε Δt sec Συχνότητα Δειγματοληψίας: 19 f 1 (Hz) (π.χ. 100Hz = 100 δείγματα το sec κάθε 0.01sec) Κάθε Δt/2 sec f 2 = 2 f 1 (Hz) (π.χ. 200Hz = 200 δείγματα το sec κάθε 0.005sec) Nyquist Theorem: f_δειγματοληψίας 2 f_max (που υπάρχει στο σήμα μας)
ADC, από τι εξαρτάται?? (ΙΙβ) Nyquist Theorem: f_δειγματοληψίας 2 f_max (που υπάρχει στο σήμα μας) Αλλιώς...Aliasing (ψευδής μετατόπιση) 20
ADC, από τι εξαρτάται?? (ΙΙγ) Nyquist Theorem: f_δειγματοληψίας 2 f_max (που υπάρχει στο σήμα μας) Αλλιώς...Aliasing (ψευδής μετατόπιση) 21
Aliasing σε 2Δ εικόνα Ι Nyquist Theorem: f_δειγματοληψίας 2 f_max (που υπάρχει στο σήμα μας) Αλλιώς...Aliasing (ψευδής μετατόπιση) F 0 Fs 8 F 0 Fs 4 F 0 Fs 2 F 0 Fs = 1.33 F 0 22
Πως μπορώ να αποφύγω το Aliasing?? Αυξάνουμε τη συχνότητα δειγματοληψίας (Fs) (π.χ. κάμερα με περισσότερα megapixels!) Κάνουμε το σήμα μας λιγότερο «κυματοειδές». «Ξεφορτωνόμαστε» (αχρείαστες) υψηλές συχνότητες. Χάνουμε λίγη πληροφορία αλλά είναι καλύτερα από το να έχουμε aliasing. 23
Σήμα, Εικόνα & συχνότητες LOW HIGH HIGH LOW 24
25 FOURIER
Τι είναι το φάσμα ενός σήματος? Πως μπορώ να «βγάλω» το θόρυβο? Fourier Θα μπορούσαν να αντιστοιχούν σε διαφορετικές λειτουργίες αυτά τα σήματα?? 26
27 Κρατάω μόνο τις «κύριες» συχνότητες και αγνοώ τις υπόλοιπες
Ανασυνθέτω τα σήματα με ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΟ Fourier!!! Inv. Fourier 28
Αρχικά σήματα Σήματα χωρίς θόρυβο!! 29
Σε τι μας χρησιμεύει η ανάλυση Fourier? Επεξεργασία (processing) Φιλτράρισμα (filtering) Αποκατάσταση (restoration) Συμπίεση (compression) 30
Η ποιότητα μιας εικόνας εξαρτάται από Εύρος κλίμακας αμαύρωσης (grayscale resolution, π.χ. 8bit). Συνολικός αριθμός pixels (Χ Υ): Χωρική Διακριτική Ικανότητα (μικρότερη απόσταση αντικειμένων για να μην «φαίνονται» σαν ένα). Χρονική Διακριτική Ικανότητα ( Ρυθμός Δειγματοληψίας) Αντίθεση (contrast) Πόσο «σκοτεινή» είναι μια εικόνα Οξύτητα (sharpness) Πόσο «μοιάζουν» γειτονικές περιοχές που κανονικά έχουν μεγάλη διαφορά στην αμαύρωσή (π.χ. edges) 31
32 Αντίθεση & Ιστόγραμμα
Επεξεργασία Εικόνας - Γιατί χρειάζεται? Βελτίωση της ποιότητας (π.χ. πιο «καθαρή») Αποκατάσταση (restoration), μείωση θορύβου Αλλαγή τρόπου θέασης (π.χ. πίνακες χρωμάτων-color tables) Συμπίεση (π.χ. για αποθήκευση, μετάδοση) Ποσοτικές μετρήσεις (!!!) χώρος/χρόνος/ποσότητα Σύγκριση Τμηματοποίηση περιοχών ενδιαφέροντος (segmentation) 33
34 Κατωφλιο-ποίηση (thresholding)
35 Τμηματοποίηση (segmentation)
Τομογραφία Επιτρέπει την απεικόνιση εσωτερικών οργάνων ΧΩΡΙΣ την παρεμβολή άλλων υπερ/υποκείμενων δομών. Ακτίνογραφία: Το αντίθετο! Μπορεί να επιτευχθεί με διαφορετικές μεθόδους απεικόνισης: CT: # «φωτονίων X» που μεταφέρονται κατά μήκος γραμμών προβολής διαμέσου του ασθενή. Πυρηνική Ιατρική: Αριθμός φωτονίων κατά μήκος γραμμών προβολής από τον ασθενή. Υπερηχογραφία: Ένταση κ χρόνος οπισθο-σκεδαζόμενων κυμάτων κατά μήκος: πηγή-ασθενής-ανιχνευτής. 36
37 Τομογραφία & Ανακατασκευή Εικόνας
Ανακατασκευή Εικόνας CT - FBP 38 http://www.youtube.com/watch?v=8v2qbd8nh_s
Έγχρωμη Εικόνα, I Καμπύλες απορρόφησης από τα κωνία του αμφιβλ.: R, G, B: Βασικά χρώματα, Προσθετικό Σύστημα Χρωμάτων. RGB Σύστημα Χρωμάτων RGB Τριχρωματικοί Συντελεστές: RGB εικόνα 24 bits 2 24 16,7 εκ. δυνατοί συνδυασμοί χρωμάτων! 39
Έγχρωμη Εικόνα, ΙΙ 3CCD Τρι-χρωματικός διαχωρισμός με συστοιχία πρισμάτων Bayer : 50%G, 25%R, 25%B. Προσομοιάζει το ανθρώπινο μάτι! G B 40
Έγχρωμη Εικόνα, ΙIΙ Red 255,0,50 0,255,50 Green 0,0,255 Blue 41
Έγχρωμη Εικόνα, HSI Πως αντιλαμβάνεται ο άνθρωπος το χρώμα? -> όχι τόσο στο σύστημα RGB, αλλά στο HSI! (Hue, Saturation, Intensity) 42
HSI RGB vs. HSI RGB 43
Συμπίεση/Αποσυμπίεση, JEPG Lossless: Συμπίεση ΧΩΡΙΣ απώλειες (π.χ. αναπαράσταση τετραγώνου σταθερής απόχρωσης του γκρι με 4 τιμές: (χ 0, y 0, d, value). Lossy: Συμπίεση ΜΕ (μικρές) απώλειες (π.χ. JPEG). Επιτρέπει την προσεγγιστική αναπαράσταση των δεδομένων μας. 44
Παράδειγμα Συμπίεσης, I Αρχική: 211 KB (8 bpp) (256 πιθανές τιμές αμαύρωσης/pixel) 96 KB, 2:1 (6 bpp) (64 πιθανές τιμές αμαύρωσης/pixel) 45
Παράδειγμα Συμπίεσης, II Αρχική: 211 KB (8 bpp) (256 πιθανές τιμές αμαύρωσης/pixel) 74 KB, 3:1 (4 bpp) (16 πιθανές τιμές αμαύρωσης/pixel) 46
Παράδειγμα Συμπίεσης, III (JPEG) Αρχική: 211 KB (8 bpp) (256 πιθανές τιμές αμαύρωσης/pixel) JPEG: 49 KB, 4:1 (256 πιθανές τιμές αμαύρωσης/pixel) 47
Registration & Fusion Ι Image Registration: Συνδυασμός >1 εικόνες: (α) διαφορετικά «modalities» (π.χ. CT: ανατομία/mri: λειτουργικότητα) (β) διαφορετικές συνθήκες (CT με/χωρίς σκιαγραφικό, ανεπιθύμητη κίνηση κατά την απεικόνιση) (γ) σε διαφορετικούς χρόνους (π.χ. καρδιά). Image Fusion: Ρεαλιστική «ανάμειξη» δεδομένων από διαφορετικά modalities (π.χ. CT-MRI, SPECT-CT) Η τελική εικόνα παρέχει συνδυαστική πληροφορία 48
CT + PET CT + MRI 49
Αναπαράσταση Όγκου (Volume Rendering) Τεχνική για την επίδειξη (display) 2D προβολής ενός 3D αντικειμένου. Απαιτείται: Γωνία θέασης 3D αντικειμένου (θέση κάμερας) Χρώμα ΚΑΙ αδιαφάνεια (opacity) κάθε 3D pixel (voxel) CT αγγειογραφία Συσχέτιση όγκουαρτηρίες καρωτίδας 50
Μεταφορά Ιατρικής Εικόνας Πως μεταφέρονται?? Μέσω δικτύου (εν/ασύρματου): Τοπικής εμβέλειας (LAN) WLAN (wireless LAN) Μητροπολιτικής εμβέλειας (MAN) Ευρύτερης Εμβέλειας (WAN) Με ποιο πρωτόκολλο?? TCP/IP (4 επίπεδα: Link/Internet/ Transport/Application) OSI (7 επίπεδα) 51
Πρωτόκολλο DICOM Επικοινωνία, Μεταφορά, Επεξεργασία ανεξάρτητα από κατασκευαστή («ενιαίο αρχείο»). Διευκολύνει ανάπτυξη PACS & διασύνδεση με άλλα πληροφ. συστήματα εντός νοσοκομείου. Εικόνες αποθηκεύονται σε Β.Δ. προσπελάσιμες από διαφορετικά πληροφοριακά συστήματα. 52
PACS, I Σύστημα Αρχειοθέτησης & Επικοινωνίας Εικόνων Νοσοκομείο 1 Δίκτυο DICOM Νοσοκομείο 2 53
PACS, II Οθόνη Διεπαφής 54
55 RIS - PACS
PACS Πλεονεκτήματα/Μειονεκτήματα Μειώνεται η πιθανότητα απώλειας εικόνων. Άμεση πρόσβαση από πολλαπλούς σταθμούς εργασίας (WS) Τηλεϊατρική. Γρήγορη ανάκληση εικόνων. Δυνατότητα ανάλυσης & επεξεργασίας βελτίωση διάγνωσης. Εύκολη & γρήγορη μεταφορά μεταξύ σταθμών εργασίας, μηχανημάτων. Οθόνες υψηλής ευκρίνειας βελτίωση διάγνωσης. Μείωσης κόστους χαρτιού. Υψηλό κόστος αγοράς-συντήρησης. Ασφάλεια μετάδοση πληροφοριών. Απαιτεί εξοικείωση με νέες τεχνολογίες. 56
Νέες Τεχνολογίες Καθοδήγηση Επεμβατικών Διαδικασιών Ελάχιστα Επεμβατική Χειρουργική (MIS) 57
Νέες Τεχνολογίες Καθοδήγηση Επεμβατικών Διαδικασιών Ρομποτική Χειρουργική (RS), 1. Κονσόλα, 2. Επεξεργασία Εικόνας, 3. Endowrist εργαλεία, 4. Ρομποτικός Βραχίονας, 5. 3D ενδοσκόπιο υψηλής ευκρίνειας 2 3 4 5 58 1
Νέες Τεχνολογίες Μοριακή (Βιολογία) & in-vivo Απεικόνιση Ιn-vivo απεικόνιση/ποσοτικοποίηση βιολογικών διαδικασιών σε κυτταρικό επίπεδο με μοριακούς δείκτες. Μπορεί να απεικονιστεί π.χ. η έκφραση ενός γονιδίου in-vivo χρησιμοποιώντας γονίδια αναφοράς τα οποία μπορούν να επισημανθούν με ραδιονουκλίδια (SPECT imaging) 59
NIR Fluorescence Imaging (demo video) 60 http://www.frangionilab.org/publications/images.html