Wstęp do Technik Obrazowania Medycznego

Transkrypt

1 Wstęp do Technik Obrazowania Medycznego Lekarzy od wieków intrygowało wnętrze ciała pacjentów, jednak przez długi czas mogli je oglądać tylko na osobnikach post mortem 1 2 Obrazowanie wnętrza ciała człowieka przez dawnych anatomów Lekcja anatomii dr. Deymana Rembrandt Harmensz van Rijn ( ) USG 3D kamienie w pęcherzyku żółciowym 3 4 Anatomoawie ciągle doskonalili techniki konserwacji zwłok. Przykładowe zdjęcie z wystawy Body worlds Kulminacją tych zabiegów stała się kontrowersyjna wystawa Body Worlds prezentująca swoiste rzeźby stworzone z ludzkich ciał w wyniku plastynacji 5 6 1

2 Pierwszy obraz wnętrza ciała żywego człowieka uzyskano w dosyć niezwykłych okolicznościach W XIX wieku sensacją naukową był przypadek Ślązaczki, Catharine Serafin, u której widać było pracujące serce, ponieważ w następstwie choroby nowotworowej jej lekarz, Hugo Von Ziemssen, zmuszony był usunąć spory fragment ściany klatki piersiowej, pozostawiając cienką i przezroczystą powłokę skórną. Dzisiaj obrazy wnętrza ciała pacjenta dostarcza przeróżna aparatura specjalistyczna, która w dodatku stale jest doskonalona! 7 8 Współczesna aparatura medyczna pozwala oglądać wnętrze ciała człowieka tak, jakby było ono całkowicie przezroczyste Chociaż żeby pozyskać dobry obraz trzeba się zwykle naprawdę postarać! Techniki obrazowania medycznego tworzą wielki rynek Obrazowanie medyczne służy do trzech celów 12 2

3 Jak jest zbudowany badany narząd? Jak jest zdeformowany przez chorobę? Wyróżniamy dwa rodzaje zobrazowań: morfologiczne i czynnościowe System obrazowania medycznego Jak zlokalizować miejsce choroby? 14 Przykład: Scyntygram płuc pacjenta pozwala stwierdzić, że jedno z jego płuc nie pracuje prawidłowo Obrazy pokazujące budowę narządu (mózgu) Obrazy pokazujące funkcjonowanie narządu (mózgu) Twór gorący przedstawiony na obrazie funkcjonalnym tarczycy Obrazowania funkcjonalne wizualizuje się często na rekonstrukcjach morfologicznych 3

4 Porównanie zalet i wad obrazowania medycznego i innych form gromadzenia informacji medycznych 19 Choroba prowadzi do wielu zmian czynnościowych i morfologicznych, które mogą być ujawniane z pomocą różnych metod obrazowania. Przyszłością może być obrazowanie na poziomie molekularnym. Pozyskiwanie obrazów Przetwarzanie (polepszanie jakości obrazów) Interpretacja obrazów Na techniki obrazowania medycznego składają się liczne procesy Gromadzenie obrazów 22 W przypadku obrazów medycznych działania związane z wykorzystaniem obrazów układają się w naturalną i logiczną sekwencję Aby zrozumieć, czym są współczesne obrazy medyczne, trzeba w pierwszej kolejności poznać sposoby ich pozyskiwania Poszczególne elementy tej sekwencji będą kolejno dyskutowane 23 4

5 W medycynie jest mnóstwo aparatury, która dostarcza informacji właśnie w formie obrazowej Główne działy diagnostyki obrazowej 25 Wybrane właściwości Do obrazowania medycznego używa się głównie fal elektromagnetycznych o różnej długości Stopień przenikliwości różnych typów promieniowania W sprawie doboru dawki obowiązuje zasada ALARA As Low as Reasonably Achiewable 5

6 Historia rozwoju metod obrazowania Zasady powstawania poszczególnych zobrazowań medycznych Charakterystyka różnych metod obrazowania ze względu na szybkość uzyskania obrazu oraz jego dokładność Porównanie metod obrazowania ze względu na kryteria kosztów i stopnia szkodliwości dla pacjenta 6

7 Wady i zalety zobrazowań diagnostycznych Wady i zalety zobrazowań diagnostycznych Metoda Zalety Wady Rentgenografia dobra rozdzielczość obrazu szybki i łatwy, liniowy proces tworzenia obrazu aparatura prosta w obsłudze konieczność izolowania badanego pacjenta dawka promieniowania jonizującego obraz rzutowany na 2D Rezonans magenetyczny duża rozdzielczość obrazu metoda nieinwazyjna, brak promieniowania jonizującego nie wymaga uprzedniego przygotowania pacjenta, oprócz przypadków, kiedy konieczne staje się podanie kontrastu możliwość rekonstrukcji obrazu w dowolnej płaszczyźnie badanego obiektu umożliwia prowadzenie pomiarów spektrometrycznych (badania metaboliczne) pomiary szybkości przepływu płynów ustrojowych obraz klatki piersiowej nie wymaga kompresji sprzęt diagnostyczny bardzo drogi (również w utrzymaniu) - zbyt drogi do przeprowadzania badań rutynowych, czy przesiewowych konieczność zastosowania specjalistycznych, magnetycznych osłon wpływ metalowych obiektów, powodujących zniekształcenie pola magnetycznego rozróżnienie tkanek uzależnione od kontrastu pomiędzy sąsiadującymi regionami (dwie różne tkanki mogą dawać podobne sygnały) łagodne i złośliwe zmiany w tkankach dają podobny obraz Wady i zalety zobrazowań diagnostycznych Wady i zalety zobrazowań diagnostycznych Scyntygrafia i tomografia pozyto nowa możliwość skanowania całego ciała możliwość kontroli rozpływu czynnika w tkance ogólna dostępność czynników koniecznych do wykonania badania mała rozdzielczość obrazu w porównaniu z MRI konieczność wprowadzenia czynnika za pomocą iniekcji bądź inhalacji stosowanie tomografii pozytonowej zabronione w Wielkiej Brytanii Ultrasonografia umożliwia rozróżnienie tkanek miękkich nieinwazyjna, niejonizująca, z możliwością wielokrotnego powtórzenia aparatura przenośna uzyskiwanie obrazu w czasie rzeczywistym konieczność użycia żelu nieużyteczna do badania kości i obszarów wypełnionych powietrzem obraz zawiera jedynie zarysy tkanek, brak informacji o ich właściwościach Wady i zalety zobrazowań diagnostycznych Porównanie różnych systemów tomograficznych Termografia nieinwazyjna, bez skutków ubocznych duża wykrywalność nowotworów we wczesnym stadium wraz z zastosowaniem diafanografii (metody optycznego prześwietlania sutka, przed formowaniem się mikrozwapnień) obraz w 3D duży koszt zakupu termokamery 7

8 Do kompletu wiedzy na rozważany temat należą take standardy przechowywania i transmisji cyfrowych obrazów medycznych Od momentu rozpowszechnienia się medycznej aparatury obrazowej (w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku) dostarczającej obrazów w postaci cyfrowej (w szczególności skanerów CT i MRI), w związku z oczywistymi korzyściami wynikającymi z przechowywania danych na nośnikach cyfrowych, nastąpił trwający do tej pory szybki rozwój systemów PACS (ang. Picture Archiving and Communications System). Są to systemy umożliwiające archiwizację, transmisję i dostęp do obrazów medycznych nowoczesny odpowiednik tradycyjnego archiwum przechowującego klisze z obrazami. Posiadają także zestaw typowych funkcji przetwarzania obrazu. System PACS jako wydzielona struktura informacyjna dostosowana do obiegu informacji obrazowych o dużej objętości Obecnie coraz częściej są one zintegrowane z systemami RIS (ang. Radiological Information System) stanowiącymi radiologiczną część szpitalnego systemu informatycznego HIS Systemy HIS (ang. Hospital Information System) przechowują dane pacjenta i raporty nie-radiologiczne w postaci tekstowej. Możliwy jest więc natychmiastowy dostęp do kompletnej informacji na temat pacjenta w dowolnym miejscu i czasie, także poprzez przenośne urządzenia bezprzewodowe. System PACS zintegrowany z systemem szpitalnym Serwer PACS może też udostępniać medyczne dane obrazowe równocześnie do wielu stacji roboczych, do drukarek wykonujących dokumentację, do stanowisk diagnostycznych oraz rozpowszechniać je na zewnątrz poprzez sieć 8

9 Pozyskanie obrazu Przetwarzanie obrazu Rejestracja obrazu PACS Udostępnianie obrazu Telemedycyna To był elementarny wstęp do obrazowania medycznego. Wyniki analizy obrazu: X=3,75; y=2,54; z=-8,72... Rozpoznawanie HIS Sugestia diagnozy Zaczniemy teraz bliżej poznawać tę fascynującą dziedzinę Najpierw kilka słów o literaturze Będziemy się głównie zajmować obróbką cyfrową obrazów medycznych, więc najbardziej przydatne są książki takie, jak ta obok 51 Aktualnie zalecane podręczniki Ale przydatne są także książki dotyczące ogólnie przetwarzania obrazów 54 9

10 Przypuszczalnie najstarsza polska książka poświęcona metodom przetwarzania i rozpoznawania obrazów Wcześniej była inna książka, ale ona miała określone odchylenie Są też godne uwagi czasopisma Dalsze czasopisma Obrazowanie medyczne jest jednym z wielu źródeł informacji o pacjencie 59 10

11 Mając do dyspozycji dowolną liczbę dowolnych zobrazowań medycznych lekarz miewa kłopot z ich właściwym wykorzystaniem i interpretacją Przykładem obszaru szczególnie wdzięcznych zastosowań IB jest obrazowanie medyczne Zastosowanie AI do analizy obrazów medycznych powoduje aż 60 % wzrost skuteczności diagnozy np. płodowych wad rozwojowych 62 Źródłem obrazów wymagających komputerowego przetwarzania, analizy i rozpoznawania są techniki obrazowania medycznago: Radiografia, Tomografia Komputerowa, Rezonans Magnetyczny, Ultrasonografia, Medycyna Nuklearna (tomografia pozytonowa PET i jednego fotonu SPECT), metody optyczne i impedancyjne) Różnorodność informacji przestrzennych pozyskiwanych z pomocą metod obrazowania medycznego 63 Obraz medyczny nie wystarczy pozyskać i przedstawić. Trzeba go także poprawnie odczytać, czyli zrozumieć! 64 W tym zakresie sztuczna inteligencja ma szczególnie dużo do zaoferowania! Dzięki opartym na sztucznej inteligencji technikom chirurgii sterowanej obrazem możliwe jest: 65 wysoka precyzja lokalizacji struktur ukrytych lepsza koordynacja oko-ręka, krótsze procedury wyznaczanie trajektorii bezpiecznej nawigacji narzędzi lub drogi robota symulacja w celach dydaktycznych Nowoczesna sala operacyjna: automatyczne wspomaganie 66 chirurga za pomocą sztucznej inteligencji. 11

12 Nowoczesne metody obrazowania pozwalają prezentować szczegóły morfologii, ale dopiero sztuczna inteligencja pozwala na właściwe wyciąganie wniosków. Szczególnie wdzięcznym polem do popisu dla metod AI są nowoczesne badania funkcjonalne 67 Mózg podczas odpoczynku Sygnał Rozwiązywanie Sygnał optyczny akustyczny - 68 muzyka - zadania matematycznego rysunek Funkcjonalne obrazy MRI W szczególności nowoczesne obrazowanie multimodalne wymaga wspomagania procesu interpretacji technikami sztucznej inteligencji. Tu nie wystarczają morfologiczne atlasy mózgu Rozumienie nowych funkcji mózgu umożliwia dopiero zastosowana sztuczna inteligencja Jednym z obszarów IB, w których sztuczna inteligencja może być szczególnie efektywna jest angiografia O przewadze cyfrowych technik obrazowania w IB świadczy mammografia cyfrowa Wcześniejsza detekcja raka (u kobiet poniżej 50) Mniej błędów w diagnozie Mniejsza dawka (od 20% do 80%) Znacząco krótszy czas badań (kilka sekund vs kilkanaście minut) Zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych Nowe metody obrazowania mammogramy 3D 71 Detektor cyfrowy Film 72 12

13 Jednak dopiero wspomaganie diagnozy z pomocą sztucznej inteligencji stanowi prawdziwy przełom w mammografii Przykład, jak bardzo potrzebna jest sztuczna inteligencja przy detekcja zmian nowotworowych wykrywanie mikrozwapnień 73 przetwarzanie obrazu Badanie z roku 1996, diagnoza: brak zmian Badanie tej samej pacjentki z roku , stwierdzona obecność nowotworu Źródłem nowych wyzwań dla AI bywa stosowana w IB grafika komputerowa Innym przykładem inspirującego zobrazowania, zachęcającego do zastosowań AI jest wirtualna endoskopia okrężnicy (kolonoskopia) Trójwymiarowa rekonstrukcja stawu łokciowego na podstawie obrazów tomograficznych świetnie się nadaje do analizy zaawansowanymi 75 metodami sztucznej inteligencji, które są tu wyjątkowo skuteczne 76 A teraz wkraczamy w krainę czarów :-) Przy pomocy komputerowego przetwarzania obrazów można zrobić wszystko. Nawet połączyć Palikota z Kaczyńskim!

14 Człowiek jest wzrokowcem i 90% informacji pozyskuje za pomocą oczu Dlatego wysoce celowe jest stworzenie urządzeń wizji komputerowej, umożliwiających korzystanie z obrazów także systemom informatycznym OBIEKT PAMIĘĆ ZEWNĘTRNA KAMERA PROCESOR OBRAZU KOMPUTER Uproszczony schemat cyfrowego przetwarzania obrazu MONITOR Urządzenia do tworzenia trwałej kopii Korzyści wynikające z możliwości automatycznego widzenia skłoniły człowieka do stworzenia licznych cyfrowych odpowiedników jego własnego wzroku. 81 Niezbędnym wstępem do poznania technik pozyskiwania i przetwarzania obrazu, będzie zrozumienie: czym jest obraz cyfrowy i jakie są jego właściwości, jak działa układ wzrokowy człowieka, jakie są funkcje elektronicznych systemów przetwarzania obrazu. 82 Ogólny schemat systemu wizyjnego (nie tylko medycznego) Typy obrazów cyfrowych: a) binarny, b) szary, c) kolorowy a) b) c) Każdy z nich wymaga nieco innych metod przetwarzania i analizy

15 Cyfrowa reprezentacja obrazu obraz binarny Cyfrowa reprezentacja obrazu obraz w skali szarości Cyfrowa reprezentacja obrazu obraz barwny Podstawy pozyskiwania obrazów Informacja zawarta w obrazie ma charakter rozproszony. Raczej rzadkością są przypadki, gdy dla uzyskania określonej informacji dotyczącej jednego piksela wystarczy przeanalizować ten piksel oraz kilka najbliższych pikseli sąsiednich 89 Obraz kojarzący się z atmosferycznym zjawiskiem śnieg (a). Obraz jednego płatka zawarty w małym okienku zaznaczonym na rys. (b) nie wystarcza dla oceny poprawności takiego skojarzenia! 90 15

16 Ogólna mapa problematyki wizji komputerowej Punktem wyjścia do wszystkich dalszych prac jest pozyskiwania obrazów cyfrowych Wybrane cechy trzech głównych metod wizualizacji medycznej Badania obrazowe w medycynie służą głównie do czterech celów: Co się osiąga? Od prawidłowej analizy i interpretacji tych obrazów może zależeć ludzkie życie, dlatego rozwija się w tym zakresie wiele metod komputerowego wspomagania

17 WPROWADZENIE Widzenie automatyczne Nieco szerszy punkt widzenia recepcja rozpoznawanie bezpośrednie analiza OBRAZ OPIS DECYZJA przetwarzanie grafika komputerowa rozpoznawanie Schemat procesu widzenia Na proces, zarówno naturalnego jak i komputerowego widzenia składa się szereg operacji, takich jak: recepcja ( akwizycja ) obrazu; przetwarzanie obrazu (filtracja wstępna, eliminacja zakłóceń, kompresja, itp.); analiza obrazu (wydobycie cech opisujących obraz); rozpoznanie obrazu i jego semantyczna interpretacja. W prostych systemach rozpoznających z góry ustalone i raczej dość proste zestawy wzorów graficznych stosuje się operacje rozpoznawania bezpośredniego Komputerowe systemy wizyjne są bardzo potrzebne do automatyzacji wielu prac, ponieważ człowiek na odpowiednich stanowiskach pracy większość informacji pozyskuje właśnie za pomocą wzroku. Składniki systemu wizyjnego Informacja Informacja Oświetlenie 99 Obiektywy Karta przetwornika + Kamera/y + Frame-Grabber + Komputer/Procesor oraz Oprogramowanie 100 Oświetlenie Zadania systemu widzenia maszynowego W systemie komputerowym obraz jest zawsze reprezentowany w formie próbkowanej (zwykle rastrowej albo wektorowej) oraz skwantowanej Urządzenie Widzenie SCENA Obraz Opis obrazujące maszynowe Sprzężenie aplikacyjne

18 Piksle jako punkty, stanowiace dziedzine funkcji jasnosci, oraz jako kwadraty czujniki detektora lub piksle ekranu. Kwestie grafiki rastrowej i wektorowej wydzielone kontury Rysunek rastrowy (a) i jego powiększenie (b) Obraz rastrowy Obraz wektorowy jest raczej prymitywny!!! Obraz wektorowy Porównanie rastrowej i wektorowej reprezentacji obrazu nie daje jednoznacznej odpowiedzi, która z tych reprezentacji jest lepsza 105 Jedną z cech grafiki rastrowej jest pogarszanie się jakości obrazu przy jego powiększaniu. 106 Teoretyczna zaleta grafiki wektorowej polega na tym, że pozwala ona dowolnie powiększać obraz bez utraty jego ciągłości Jest to jednak zaleta pozorna, bo silnie powiększony obraz wektorowy jest wprawdzie ciągły, ale zawiera bardzo mało szczegółów. Z punktu widzenia jakości i ilości informacji graficznej znacznie lepszy jest obraz rastrowy Wynik powiększenia fragmentów obrazu wektorowego oraz rastrowego przy małej i przy dużej rozdzielczości o dużej rozdzielczości!

19 Chociaż w praktyce dominuje raster kwadratowy, to jednak możliwe są także inne formy przestrzennej dyskretyzacji obrazu Komputerowa obróbka obrazu jest procesem wieloetapowym Często wymaga wstępnego przetwarzania Przetwarzania można traktować jako przekształcenie odwrotne do transformacji, która obraz zniekształciła PSF µ * + Struktura anatomiczna poddana akwizycji Obraz idealny Konwolucja z PSF Szum Obraz wynikowy Celem pracy komputera może być otrzymanie obrazu o korzystniejszych właściwościach albo może być zaklasyfikowanie obrazu do jakiejś kategorii W medycynie współczesnej wnętrze ciała człowieka można zobaczyć na wiele różnych sposobów Porównanie zdjęć otrzymanych techniką CT (u góry), PET (w środku) oraz PET-CT (na dole). Widać, że dzięki połączeniu dwóch metod obrazowania uzyskany obraz nowotworu wątroby i jego przerzutów pozwala na dokładne umiejscowienie zmiany

20 W czasie wykładu w większości wypadków zajmować się będziemy właśnie obrazami medycznymi pokazującymi narządy wewnętrzne człowieka Odmienne właściwości miewają jednak obrazy uzyskiwane na przykład w różnych badaniach specjalistycznych Przy przetwarzaniu obrazów będących efektem skanowania różnych dokumentów możemy spodziewać się obrazów o bardzo egzotycznych właściwościach Odrębne problemy rodzą sekwencje obrazów W medycznych bazach danych zbierane są obrazy bardzo różnego rodzaju, więc będziemy musieli poznać różne dane obrazowe oraz sposoby ich przetwarzania WPROWADZENIE System cyfrowego przetwarzania obrazu System wizyjny składa się z zestawu urządzeń realizujących cztery podstawowe funkcje:» akwizycja i konwersja obrazu» zapamiętanie obrazu» przetwarzanie i analizę obrazu» wyświetlenie obrazu Zadaniem podsystemu akwizycji i konwersji obrazu w omawianym systemie jest zamiana obrazu na jego cyfrową reprezentację, akceptowaną przez podsystemy przetwarzania i analizy obrazu. Stosuje się dwa rozwiązania: kamery TV z wyjściem analogowym oraz kamery majce na wyjściu sygnał cyfrowy, gotowe do podłączenia bezpośrednio do magistrali systemów cyfrowych. Dodatkowo obraz można wprowadzać bezpośrednio z pamięci zewnętrznej (cyfrowy aparat fotograficzny, skaner) Wyniki procesu przetwarzania możemy obserwować na monitorach, drukach, fotografiach czy slajdach czyli poprzez urządzenia wyjściowe

21 WPROWADZENIE System cyfrowego przetwarzania obrazu WPROWADZENIE System cyfrowego przetwarzania obrazu Obraz po wprowadzeniu go w formie cyfrowej do komputera wymaga z różnych zabiegów doskonalących jego jakość, co powoduje, że konieczny jest proces przetwarzania obrazu. * Cechą charakterystyczną tego procesu jest fakt, że zarówno na wejściu algorytmu przetwarzającego informacje, jak i na jego wyjściu występują obrazy. Algorytm przetwarzający, musi wytworzyć więc dziesiątki tysięcy lub nawet miliony punktów obrazu wynikowego. W praktyce może się okazać, że proces przetwarzania będzie działał stosunkowo wolno na komputerze szeregowym ( sekwencyjnym ). Jego pracę można znakomicie przyspieszyć przechodząc do komputerów o architekturze równoległej. Moc przetwarzania obrazu można także zwiększyć poprzez rozdzielenie operacji graficznych między głównym procesorem systemu, a procesorem graficznym. Wykorzystuje się to przy interaktywnym przetwarzaniu obrazu. * WPROWADZENIE Cyfrowe przetwarzanie obrazu WPROWADZENIE Cyfrowe przetwarzanie obrazu Cechy sztucznego przetwarzania obrazu przewyższające ludzki zmysł wzroku Niższa cena analizy, Szybszy czas reakcji, Powtarzalność wyników, Możliwość automatycznego rejestrowania wyników, Brak czynników ludzkich takich jak zmęczenie, stres itp. Dowolny zakres pracy zarówno dla światła widzialnego, jak i podczerwieni czy nadfioletu, Praca w miejscach niedostępnych dla człowieka Możliwość łatwego i taniego powielania sprawdzonych rozwiązań, Brak instynktu samozachowawczego oraz oporów moralnych przed zniszczeniem. 123 Naturalne przetwarzanie obrazu przewyższające jego sztuczny odpowiednik, charakteryzuje: Szybka analiza złożonych obrazów, Większa skuteczność rozpoznawania obrazów dwuznacznych, Łatwe i efektywne uczenie się nowych schematów, Szybsze rozpoznawanie obrazów w czasie rzeczywistym