Analýza obrazu Daniel Smutek
Biological imaging • • • •
Radiology (clinical imaging) Endoscopy Microscopy Maps from biomedical signals – electroencephalography (EEG) – magnetoencephalography (MEG)
Clinical/Medical Imaging • X-ray (Projection radiography) -contrast, double contrast
• • • •
Computed tomography (CT) Ultrasound Magnetic resonance imaging (MRI) Nuclear medicine – Positron emission tomography (PET)
Invasive/Non-invasive radiation exposure, adverse reactions to contrast agents (barium sulfate vs iodine agents) • X-ray • CT • Nuclear Imaging
• Ultrasound • MRI vs contrast agents (gadolinium-based, microbubbles)
Radiation exposure Examination Chest X-ray Head CT
Relative dose 1 75
Abdomen CT
265
Chest CT
290
Chest, Abdomen and Pelvis CT
495
Cardiac CT angiogram
500
CT colonography (virtual colonoscopy)
250
Pořízení obrazu Základním pravidlem je pořízení kvalitního vstupního obrazu !!! Tedy – správné osvětlení, doba expozice, vhodné rozlišení, vhodná bitová hloubka, atp. Ostatními metodami např. pro potlačení šumu či různými postprocesingovými metodami, například filtrace obrazu či ekvalizace histogramu již nemůžeme dostat nikdy lepší výsledek z hlediska obsahu vlastní informace. 7
Digitaliazace obrazu představuje: • Vzorkování – „rozdělení obrazu na snímané body“ – pixely (nutno volit vhodné rozlišení abychom vůbec danou informaci zaznamenali – viz dále) • Každý pixel/voxel má přiřazenou nějakou barvu, reprezentující naměřenou hodnotu intenzity, jasu či signálu → kvantování
• Binární reprezentace – vlastní forma kódování pro zápis do datového souboru 8
Rozlišení/vzorkování 256x256 pixelů
128x128 pixelů
32x32 pixelů
16x16 pixelů
64x64 pixelů
8x8 pixelů
Noise
Počet odstínů/kvantování 256 odstínů šedi
8 odstínů šedi
16 odstínů šedi
4 odstíny šedi
černá a bílá
Základní zpracování obrazu • Zaznamenaným registrovaným hodnotám pro pixely je přiřazená barva, jas (číslo) – U 256 GreyScale pro stupně šedi je to celé číslo v rozsahu od 0 (černá) do 255 (bílá), u TrueColor jsou to 3 čísla v rozsahu 0 až 256 (pro červenou, zelenou a modrou složku, RGB paleta barev)
• Kontrast je definován jako rozdíl jasu 2 bodů • Změny jasu a kontrastu, tj, jejich zvyšování nebo snižování, představují základní převodní charakteristiky při úpravách obrazu • Ideálně je mít barev alespoň tolik, kolik je hodnot, které chceme barvami reprezentovat 12
Originální obraz
Snížení jasu
Zvýšení jasu
Změny jasu (přičítání, odčítání)
Změna jasu Zvýšení jasu → přičtení konstanty >0
17
Změna jasu Snížení jasu → odečtení konstanty >0
18
Originální obraz
Snížení kontrastu
Zvýšení kontrastu
Změny kontrastu (násobení, dělení)
Změna kontrastu Zvýšení kontrastu → násobení konstantou >1
23
Změna kontrastu Snížení kontrastu → dělení konstantou >1
24
Vyrovnání histogramu (Histogram Equalization) CT snímek – řez hrudníkem
25
Computer Aided Diagnosis (CAD)
Diagnosis
Pokročilé manipulace s obrazem • Odstranění šumu, vyhlazení hran, zvýraznění hranic oblastí (segmentace obrazu) • Spektrální analýza a filtrace obrazu • Roztažení nebo zúžení obrazu, zešikmení obrazu, morfing, atd.
27
Thyroid and its Function Hyperfunction - orbitopathy
Hypofunction - cretenism
2D histogram – co-occurrence matrix
obraz – grey levels
kookurenční matice (2D histogram) pro (1;0)
1D histogram
Haralick Texture Features for 2D Image Segmentation Haralick features : co-occurrence matrix :
normalization :
We used 15 texture features: • entropy • texture contrast • texture correlation • texture homogeneity • inverse difference moment • ...
e.g. texture homogeneity :
Digitální Subtrakční Angiografie po vstříknutí kontrastu
-
odečtení
zvýšení kontrastu
maska
35
Výpočetní tomografické metody • Rekonstrukce detekovaného signálu počítačem do podoby zobrazující řezy ve vrstvách – Na rozdíl od „klasických“ obrazů se nebavíme o pixelu jako základním elementu obrazu (picture matrix element), nýbrž o voxelu (volume matrix element) → vrstva má jistou šířku, je to vlastně takový hranolček – Tyto metody by bez počítačů vůbec neexistovaly!!!
• Rentgenová výpočetní tomografie (XCT, CT) • Jednofotonová emisní počítačová tomografie (SPECT) • Pozitronová emisní tomografie (PET) • Hybridní systémy (SPECT/CT, PET/CT) • Nukleární magnetická rezonance (MRI, NMR) • Ultrasonografie (USG, UZ)
36
Segmentation of CT 3D Images in Medicine • diagnosing • organs segmentation • Future-CAD project
Texture-based segmentation of 3D Images • 2D texture image segmentation well established • 3D texture segmentation can use more information
Example – Results of Segmentation • original image • hand-made segmentation • automatic segmentation using our method
40
Classification of focal hypodense hepatic lesions Hepatocellular carcinoma • common in world • in cirrhosis • survival 2-3 years • important early detection, and localization
Liver cysts
• etiology is wide • large differences in clinical relevance
Sample CT scans
43
44
45
46
47
• frekvence 2-15 MHz • rychlost šíření – vzduch: 330 m.s‑1 – kost: 1080 m.s‑1 – měkké tkáně: průměrně 1540 m.s‑1 • tuk: 1450 m.s‑1 • sval: 1580 m.s‑1
• hloubka rozhraní: z rychlosti šíření UZ a intervalu mezi vysláním a návratem pulsu • různá prostředí se liší svojí fyzikální hustotou • rychlost šíření zvuku x hustota prostředí = akustická impedance – čím rozdílnější je akustická impedance dvou sousedících prostředí, tím více ultrazvukového vlnění se odrazí a tím zřetelněji (jasněji) se toto rozhraní zobrazí
• „velká“ rozhraní (bránice, větší cévy, stěna močového měchýře) odrážejí prakticky veškeré vlnění • drobná rozhraních v parenchymu orgánů - difúzní, a v důsledku toho méně intenzivní
Artefakty • část vlnění, která se neodrazí, prochází rozhraním a mění směr ve stejném poměru, v jakém jsou rychlosti šíření v dotyčných tkáních • důsledek: hlouběji uložená rozhraní se zobrazují v nesprávné vzdálenosti nebo směru • refrakce je nejmenší při směru šíření ultrazvuku kolmém na rozhraní
Atenuace • v důsledku odrazů, rozptylu a absorpce dochází k atenuaci – ve vzduchu 12 dB/cm/Hz – v tuku 0,63 dB/cm/Hz – v krvi 0,18 dB/cm/Hz – ve vodě 0 dB/cm/Hz
• moderní přístroje jsou vybavené programy na kompenzaci atenuace (time gain compensation)
Odstíny šedi • přizpůsobení velkého rozsahu přijímaných intenzit (až 1000) možnostem zobrazení ve škále šedi. • většina přístrojů zobrazuje 256 odstínů šedi
Vznik obrazu • obraz vyšetřované roviny vzniká zpracováním – údajů o době mezi vysláním zvukového impulsu a návratem části odraženého vlnění – amplitudy – frekvence
– Impuls je generován v sondě, která obsahuje jeden nebo více piezoelektrických krystalů – technickým uspořádáním se docílí toho, že vyslání pulsu zabere jen menší část času, takže po každém impulsu může sonda sloužit i jako přijímač odražených ultrazvukových vln – vyvolají obrácený piezoelektrického jev – vzniklé elektrické proudy se zaznamenávají jako výchylky o amplitudě úměrné intenzitě zachyceného zvukového vlnění
A-mód
A-obraz staticky a jednorozměrně znázorňuje trasu vyslaného ultrazvukového paprsku počátky klinicky použitelného ultrazvuku - rozlišení např. cyst od solidních útvaru (nádorů).
M-mód
Znázornění odrazů jako různě intenzivních bodů na svislé ose (tedy rotací osy o 90°) umožnilo kontinuálně zaznamenávat A-obraz v čase. Tak vzniká M-mód, který se stále používá především v echokardiografii k zobrazení pohybu chlopní a dalších srdečních struktur
B-mód • dvourozměrné zobrazení v reálném čase • ultrazvukové vlnění je vysíláno s frekvencí 15-60 Hz v tenké rovině synchronizovaně větším počtem krystalů – umístěných v sondě vedle sebe (lineární sonda) – vějířovitě (konvexní a sektorové sondy)
• odražené, měničem přijaté signály se analyzují, upravují a promítají na stínítko monitoru různě jasné body, jejichž poloha odpovídá vzdálenosti od sondy • rychlá frekvence obrazů vytváří plynulý záznam pohybujících se struktur
Dopplerovské techniky • proudící krev je v A i B-obraze anechogenní • krvinky jsou odražečem • červená krvinka se přibližuje k sondě nebo se od ní vzdaluje, mění se vlnová délka odraženého vlnění • kontinuální Doppler – neumožňuje rozpoznat, z jaké hloubky pocházejí analyzované signály (používá se pouze u lůžka k vyšetřování povrchněji uložených větších cév)
• pulsní Doppler – umožňuje výběrem doby mezi vysláním ultrazvuku a návratem odrazu "zacílit" tzv. vzorkovací objem do konkrétního místa dvourozměrného zobrazení ve škále šedi (duplexní Doppler)
color flow Doppler imaging • nejpoužívanější • kombinace B-obrazu v reálném čase se zobrazením krevního proudění přiřazením škály barev (od světle červené až po jasně modrou) power mode Doppler • jas použité barvy znázorňuje amplitudu dopplerovských signálů • méně rušený šumem a mnohem citlivější ve znázornění drobných cév (neinformuje o rychlosti a směru proudění)
Aplikace echokontrastních látek • zvýšení výtěžnosti dopplerovského vyšetřování • invazivita • např. mikročástice galaktózy s malou příměsí kyseliny palmitové, obsahující mikrobubliny vzduchu • podstatně zlepšují možnosti znázornění i velmi drobných cév s pomalou rychlostí proudění • např. detekce neovaskularizace v nádorech.
Výhody, nevýhody UZ • neinvazivní metoda • vysoká rozlišovací schopnost (< 1 mm) • zobrazení v široké škále šedi (obvykle 256 stupňů) • možnost posouzení perfuze (dopplerovské metody, echokontrastní látky) • zobrazení v reálném čase
• vyšetřitelnost závislá na uložení orgánu či tkáně a na (momentálním) stavu vyšetřovaného • subjektivní hodnocení • struktura tkáně se promítá do textury obrazu jen nepřímo • (zdánlivě) stejný UZ obraz histologicky různých procesů
PACS • computers or networks dedicated to the storage, retrieval, distribution and presentation of images • integration with – hospital information system – radiology information system (RIS).
DICOM • Digital Imaging and Communications in Medicine • Standard for medical imaging – handling – storing – printing – transmitting
• file format definition • network communications protocol (TCP/IP based)
DICOM format (Digital Imaging and Communications in Medicine) - header Image Type (0008,0008) 1-n CS [ORIGINAL\PRIMARY\M\NORM] Study Date (0008,0020) 1 DA [2005.01.24] Study Time (0008,0030) 1 TM [18:03:49.859000] Modality (0008,0060) 1 CS [UZ] Patient's Name (0010,0010) 1 PN [xxx] Patient's ID (0010,0020) 1 LO [RC] Slice Thickness (0018,0050) 1 DS [6] Trigger Time (0018,1060) 1 DS [242.5] Series Number (0020,0011) 1 IS [9] Acquisition Number (0020,0012) 1 IS [1] Instance (form...Image) Number (0020,0013) 1 IS [8] Image Position (Patient) (0020,0032) 3 DS [-17.569595\-171.59116\114.26955] Image Orientation (Patient) (0020,0037) 6 DS [0.77845185\0.62770433\-4.0211107e-009\-0.35008808\0.43416414\-0.830024] Slice Location (0020,1041) 1 DS [-37.985614] Rows (0028,0010) 1 US [256] Columns (0028,0011) 1 US [192] Pixel Spacing (0028,0030) 2 DS [1.40625\1.40625] Bits Allocated (0028,0100) 1 US [16] Bits Stored (0028,0101) 1 US [12] High Bit (0028,0102) 1 US [11] Pixel Data (7FE0,0010) 1 OW [49152 * 2 bytes at offset 23518]
Registrace • umístění obrazu různých modalit do systému se stejnými souřadnicemi, tj. aby si místa v obraze vzájemně prostorově odpovídaly
PET – transverzální řez
Najdi 9 hlav
Literatura • Špunda, Dušek & kol.: Zdravotnická informatika, Karolinum, Praha, 2007 • Kasal, Svačina: Lékařská informatika (Karolinum, Praha, 1998) • Nekula & kol.: Radiologie, 3. vyd. (Univerzita Palackého, Olomouc, 2005) • Urbánek: Nukleární medicína, 4. vyd. (Gentiana, Jilemnice, 2002) • Huang: PACS and Imaging Informatics – Basic Principles and Applications, 1st edition (Wiley, New Jersey, 2004) • Shortliffe, Cimino: Biomedical Informatics – Computer Applications in Health Care and Biomedicine, 3rd edition (Springer, New York, USA, 2006) • Poznámky a prezentace z přednášek a seminářů, elearningové materiály ze stránek ústavů 1. LF UK /2002 2009/ (biofyzika, fyziologie, nukleární medicína, radiologie) 98
