radioaktív bomlás
Leképezés céljai
Varga József Debreceni Egyetem Nukleáris Medicina Intézet, 2013.
sugárgyengítés
Kimutatás (jelen van-e?)
Értenünk kell…
SZÁMÍTÁSTECHNIKA A NUKLEÁRIS MEDICINÁBAN
Becslés (milyen mértékben?)
ECT nehézségei A képfeldolgozás céljai
szóródás detektorok jellemzői kamera képességei rekonstrukció képfeldolgozás térbeli illesztés
Fejlődési irányok
kijelzés lehetőségei
Rekonstrukció és szűrés Elnyelés-korrekció, hibrid leképezés Kinetikai elemzés módszerei
Advancing nuclear medicine through innovation. NAS, 2007 Számítástechnika a NM-ban
2
Varga J., 2013
Egységesítés, optimalizálás!
Példa: képminőséget lerontó tényezők
120
Eredeti
Alacsony kontraszt
Administered activity (MBq)
100
Gyenge felbontás
80 60 40 20 0 0
4
8
12
16
20
24
Age (years)
Gyermekeknek beadott DMSA aktivitások Svédországban Zaj
(Forrás: Mats Stenström)
Mindezek együtt
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
3
Emissziós leképezés behatároló tényezői
Számítástechnika a NM-ban
4
Varga J., 2013
Begyűjtési mód
• korlátozott felbontás ⇒ résztérfogat-hatás távolságfüggő! • sugárgyengítés • szórás Statikus?
• a vizsgált szerven kívüli nagy aktivitás pl: szívvizsgálatnál a májban
Tomográfiás?
• fiziológiás mozgás (légzés, szívdobogás)
Dinamikus? Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
5
Vizsgálat- és adattípusok vetületi
térbeli / metszeti
gamma-kamerás
vetületi dinamikus
térbeli / metszeti statikus
statikus
gamma-kamerás
PET -
dinamikus
6
Varga J., 2013
Hol jelenik meg a képfeldolgozás?
SPECT
statikus
Számítástechnika a NM-ban
dinamikus
SPECT
PET
paletták, normalizálás, küszöbök zajcsökkentés, felbontás-helyreállítás számszerű eredmények nyerése összekapcsolás (egésztest)
Dimenziók: vetületi
SPECT
PET
statikus
2
3
3
dinamikus
3
-
4
kapuzott
3
4
4
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
(szórás)
térbeli / metszeti
plan. γ
rekonstrukció (metszetek) szórás, elnyelés
változások
változások 2D előszűrés
7
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
elnyelés előkorrekció
8
Számszerű eredmények nyerése
10 000 beütés
Mátrixméret és zaj
az izotópdiagnosztikában
64x64-es mátrixban:
Képelem zaja = 10 000 = 100 ⇒Zajtartalom =
• részterületekből
100 ∗100% = 1% 10 000
• görbékből
64x64 mátrix
• különbségek • összevetés normál tartománnyal
2 500 beütés
128x128-as mátrixban:
Képelem zaja = 10 000 ⇒ Zajtartalom =
Alapelv:
128x128 mátrix
Számítástechnika a NM-ban
4
• viszonyítás:
= 2 500 = 50
beadott aktivitáshoz és testmérethez (SUV)
50 ∗100% = 2% 2 500
pixelméret ≈
vérbeli koncentrációhoz referencia-területhez
FWHM 3
Varga J., 2013
9
Érdekes terület (Region of Interest, ROI)
Számítástechnika a NM-ban
10
Varga J., 2013
Információ dinamikus vizsgálatokból Részterületek idő-aktivitás görbéi
Parametrikus képek Minden képelembıl képezzük az idı-aktivitás görbe egy paraméterét
Képsorozat Körülrajzoljuk a kívánt terület(ek)et
Tervezett
Számítástechnika a NM-ban
Képelemekre osztott
Varga J., 2013
Színkódolt kijelzés Színkódolva kijelezzük
Idı-aktivitás görbéket képezünk belılük
11
Mire jó a parametrikus kép?
Számítástechnika a NM-ban
12
Varga J., 2013
Változások elemzési módszerei
Példa: üregrendszer kijelölése
• Különbségkép • Görbeillesztés
→ paraméterek
• Parametrikus kép → részterületek átlaga • Dekonvolúció után görbeillesztés • Gamma-változós függvény • Rekeszes kinetikai modell Összeg
• „Grafikus” módszerek
Átl. áthaladási idő
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
13
… eredmény
statikus képek
egésztest-kép
hibrid leképező berendezések
SPECT/CT, PET/CT, PET/MR
különálló vizsgálatok: azonos modalitás különböző modalitások
térbeli illesztés: regisztráció koregisztráció
illeszkedő vizsgálatok
fúzió
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
Varga J., 2013
14
Térbeli eloszlás
Képek, képsorozatok összekapcsolása Forrás …
Számítástechnika a NM-ban
az izotópdiagnosztikában Kiszámolás:
Ábrázolás:
rekonstrukció
trx. metszetek
kivetítés: összeg maximum korrekciók: sugárgyengítés szórás felbontás
15
3D pont metszetei
„browser”
3D mozi
„cine” MIP
attenuation scatter resolution recovery
újraszeletelés
reslicing
metszetsorozatok
térbeli illesztés
registration
fúzió
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
16
Fejlődési irányok
Vetület és sinogram Vetület: összeg egymással párhuzamos vetítési egyenesek mentén
• A leképező berendezés egyedi jellemzőinek beépítése a rekonstrukcióba („resolution recovery”)
Sinogram: egy metszet különböző irányú vetületei együtt
• Korrekciók (elnyelés, szórás, távolság) • Másik modalitás (CT, MRI) hasznosítása a képfeldolgozásban és számszerűsítésben • Kinetikai modellek a klinikai rutinban
Számítástechnika a NM-ban
17
Varga J., 2013
Számítástechnika a NM-ban
18
Varga J., 2013
A szűrő szerepe döntő a visszavetítésnél
Szűrt visszavetítés Visszavetítés szűrés nélkül ⇒ „szétkent” kép
Ramp (=emelkedő, rámpa) szűrés a sinogramon Számítástechnika a NM-ban
19
Varga J., 2013
Számítástechnika a NM-ban
20
Varga J., 2013
Helyreállító szűrők („restoration”): >1
Szűrők
Planáris gamma-kamerás kép spektruma
Ablak-függvények 1.0 Hanning 1.5 3
Az ablak-függvény megadja, milyen frekvenciákat „engedünk át”. power spectrum
„jel”
„zaj”
Metz 2 0.5
Fourier-térben: komponensenkénti szorzás
1.E+09
⇒ elnyomjuk a magas frekvenciákat Kép spektruma Sum Zaj spektruma Diff.
1.E+06
0.0 0.0
– Hann, Hamming, Butterworth, SheppLogan, Parzen – helyreállító szűrő: >1 lehet az ablak-fv. (Metz, Wiener)
0.5
1.0 1.5 Frekvencia (1/cm)
2.0
Rekonstrukciós szűrők
1.0
RAM P Hanning 1.5 3 Metz 2
1.E+03 0
10
20
30
40
50
A ramp-szűrő csökkenti a szétmosódást, de felerősíti a ZAJT is
60
térfrekvencia (1/látómező)
0.5
⇒ az ablak-függvénnyel szorozzuk 0.0 0.0
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
21
Példa: Butterworth-szűrő paraméterei
Számítástechnika a NM-ban
0.5
Varga J., 2013
1.0 1.5 Frekvencia (1/cm)
2.0
22
Helyreállítható a szétterjedés?
Ábra: M. Nowak Lonsdale, Bispebjerg Hospital Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
23
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
24
Fokozatos közelítéses (iteratív) rekonstrukció
SPECT: Hol szűrhetünk?
SPECT
Valódi eloszlás Rekonstrukció … előtt: „közben”: után:
Hol?
Dimenzió?
vetületi képeken
2
a szinogram sorain
1
a rekonstruált térfogaton
3
Mért vetületi adatok
„kivetítés”
Becsült kép
Számolt vetület
Összehasonlítás: konvergál? Rekonstruált kép
Becslés pontosítása „visszavetítés” Számítástechnika a NM-ban
25
Varga J., 2013
Számítástechnika a NM-ban
Szűrő →
Lépések száma: szívizom-leképezés
Cardiac Tc
26
Varga J., 2013
Emory 1,2
MOSEM előszűrő nélk.
Wiener
S+BW +OSEM
terh. SHA: nyug.
terh. VLA nyug.
terh. HLA Ábra: J.R. Halama, Loyola Univ. Számítástechnika a NM-ban
nyug. 27
Varga J., 2013
28
Varga J., 2013
Rekonstrukció felbontás-javítással Philips Precedence: „Astonish”
A felbontás visszanyerése =
„resolution recovery”
•
A gamma-kamera felbontása a távolsággal gyorsan romlik
•
A vetületi kép különböző mértékben összemosódó komponensekből tevődik össze ⇒ rossz közelítés a vetület egységes szűrése
•
Számítástechnika a NM-ban
javított
Zeng GL & al., J Nuc Med 1998; 39:124-130
A távolabbról érkező jel kevésbé részletgazdag ⇒ nem sokat veszítünk vele, ha erősebben megszűrjük.
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
29
A képet lerontó tényezők
„Ideális”
+szétterjedés
+elnyelés
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
30
Elmozdulás hatása
+szórás
Ábra: B. Hutton, Westm ead Hospital, Sydney Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
31
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
32
Elnyelés hatása homogén hengerre
Chang-féle elnyeléskorrekció
A mélyen levő képletek sugárzása jobban elnyelődik
t: mélység (mm) µ: elnyelési együttható
C = C 0 ⋅ e − µ ⋅t
a hozzáadódó szórás miatt csökkentett elnyelési együtthatóval!
A (test)felszín kiemelődik
Korrekció?? Testkörvonal Ábra: M. Nowak Lonsdale, Bispebjerg Hospital
Ábra: J.R. Halama, Loyola Univ.
Számítástechnika a NM-ban
33
Varga J., 2013
Az ellipszis elhelyezésének hatása
Számítástechnika a NM-ban
34
Varga J., 2013
Mellkasi (szív-) vizsgálatok:
Hibás illesztés
SPECT: a koponyacsont elnyelése kb. kétszeres ⇒ kintebb kell húzni a körvonalat
A Chang-módszer nem alkalmazható, mert különböző elnyelésű (sűrűségű) részek vannak egy keresztmetszetben Ábra: PET Centrum, Turku Számítástechnika a NM-ban
Hibás átmérő
Ábra: J.R. Halama, Loyola Univ. 35
Varga J., 2013
36
Varga J., 2013
Példák: elnyelés-korrekció hatása
Elnyelés-korrekció
Korrigálatlan (szűrt visszavetítés)
Számítástechnika a NM-ban
Elnyelési térkép
Korrigált (OSEM)
Forrás: M. King et al.
Számítástechnika a NM-ban
37
Varga J., 2013
PET: Lehetséges transzmissziós képek Gamma-forrás áteresztési képe
• • • •
511 keV-es fotonok koincidencia-detektálása Ge-68 / Ga-68
magas zajszint 15-30’ leképezési idő kis torzítás alacsony kontraszt
Számítástechnika a NM-ban
38
Varga J., 2013
Energia-viszonyok
röntgen (~30-140 kVp) röntgenforrás
• • • • •
gammaforrás
pozitronforrás
zajmentes 1’ leképezési idő torzítás lehet magas kontraszt nagyobb dózis!
Forrás: P. Kinahan, University of Washington Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
39
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
40
Attenuation smear: A ‘paradoxical’ increase in counts due to attenuation artifact. Hansen & al., Interntnl J Cardiac Imaging 2000; 16:455-460.
Hibrid leképezés műtermékei
• Az emlő sugárelnyelése megnövekedett aktivitást eredményezhet az első falon. • A jelenség emlő-elnyelés nélkül nem jelentkezik. Légzőmozgás
Levágott látómező Kontrasztanyagok Nyalábkeményedés
Számítástechnika a NM-ban
41
Varga J., 2013
3 energiaablakos szóráskorrekció imp.szám
• A műtermék EM rekonstrukciónál lényegesen kisebb.
Számítástechnika a NM-ban
42
Varga J., 2013
3D aktivitás-eloszlások összehasonlítása (Normál adatbázis létrehozása)
fotocsúcs
Probléma: különböző – méret – alak energia
– szögállás
korrigálatlan
• Nemlineáris 3D transzformáció – „atlasz”: „referencia” 3D kép kijelölt területekkel
korrigált
• Standard geometriába vetítés Képek: Tohru Shiga, Eur J Nucl Med (2002) 29:342–345
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
43
Számítástechnika a NM-ban
44
Varga J., 2013
Összehasonlítás normális adatbázissal: „ökörszem”
Szívizom: „Ökörszem”-kijelzés (polar mapping)
1. adatbázis: terheléses
reverzibilis defektus 3. adatbázis: reverzibilitás 2. adatbázis: nyugalmi
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
45
Számítástechnika a NM-ban
Kinetika:
Életképes: „ökörszem”
Rekeszes modell
vagy „grafikus” módszerek Alapelv: a kötődés paraméterének visszavezetése (megfelelő transzformációval) egyenes meredekségére
Feltételezések: • a rekeszeken belül tökéletes és gyors elkeveredés • a rekeszek közt a koncentrációval arányos áramlás • a rendszert a k … sebességi állandók jellemzik
Sok paraméter ⇒ csak nagy területekre
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
46
Varga J., 2013
47
Számítástechnika a NM-ban
A teljes eloszlási tér becslése receptor PET vizsgálatból
Varga J., 2013
48
FDG kinetikája
Példák „grafikus” módszerekre Reverzibilis kötődésre:
Irreverzibilis kiválasztásra:
Logan-analízis
Patlak-analízis
A teljes eloszlási tér becslése receptor PET vizsgálatból
A plazmatérfogatra normalizált GFR közvetlen becslése
Kontroll Patlak kép: K felvételi sebességi állandó
Fenphen meredekség ~ GFR/PV 50 mL/mL Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
49
Nemlineáris egyszerűsített referenciaterületes modell (SRTM):
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
50
Melyik módszert válasszuk?
kínálat (perfúzió)
•
Ha ismert és megbízható az artériás görbe: a kötés jellegétől függően Logan v. Patlak
•
Ha nem, próbálhatjuk vénás mérésből v. a szöveti görbék alapján becsülni
•
Parametrikus képekhez jók lehetnek a referencia-területen alapuló SRTM v. grafikus módszerek
•
VOI-alapú pontos elemzés a rekeszes modellel végzendő.
spec. kötés (receptorok)
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
51
Nukleáris Medicina: segédanyagok •
Nukleáris Medicina
•
Biológiai izotóptechnika
•
Elektronikus tankönyv:
(Szerk. Szilvási I.; Medicina, 2010) (Szerk.: Varga J.; DE Egyetemi Kiadó, 2011)
http://www.nmc.dote.hu/nmtk/ http://oftankonyv.reak.bme.hu/
•
Elektronikus segédanyagok: http://en.wikibooks.org/wiki/Basic_Physics_of_Nuclear_Medicine http://www-pub.iaea.org/books/IAEABooks/Series/140/Human-Health-Series
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
53
Számítástechnika a NM-ban
Varga J., 2013
52
