Komputerowe obrazowanie medyczne Część I Akwizycja obrazów medycznych Obrazowanie medyczne wczoraj Obrazowanie wnętrza ciała przez dawnych anatomów było dalekie od doskonałości (Atlas anatomiczny XIII w.) Badania anatomiczne w XIX w. były znacząco zaawansowane (Grafika XIX w.) RG Pacjentka dr Hugo von Zimssena z otworem w klatce piersiowej umożliwiającym obserwację pracy serca (Śląsk XIX w.) Historyczne zdjęcie ręki żony Wilhelma Roentgena (1895 r.) 1
Obrazowanie medyczne wczoraj Nośność informacyjna danych liczbowych, opisu tekstowego i obrazu Wynik Norma Jedn. 5.2 4 10 G/l 4.94 4.5 6.5 T/l 15.5 12 17 g/dl 45 40 54 % Jan Kowalski, PESEL: 78231106651 Badanie USG jamy brzusznej Data badania: 15.02.2010 Wątroba: niepowiększona o homogenicznym echu PŻW: ŻW nieposzerzone Pęcherzyk żółciowy : echoujemny bez złogów Trzustka: w USG b/z. Nerka prawa. Nerka lewa. W USG b/z Śledziona: w USG b/z Naczynia jamy brzusznej: nieposzerzone Pęcherz moczowy: dobrze wypełniony o gładkich ścianach Gruczoł krokowy: niepowiększony, homogenny 2
Rodzaje obrazowych informacji medycznych Informacje poznawcze : jak jest zbudowany dany narząd? jak funkcjonuje dany narząd? RG Informacje diagnostyczne : jaka choroba? jak narząd jest zdeformowany (uszkodzony) przez chorobę? jak zlokalizować miejsce choroby? Komputerowy atlas anatomiczny 3
Komputerowy atlas anatomiczny Komputerowy atlas anatomiczny 4
Współczesny system obrazowania medycznego Pozyskanie Rejestracja PACS Udostępnienie obrazu obrazu obrazu Przetwarzanie Telemedycyna obrazu HIS Wyniki analizy X=1.25, y=3.15, z=36.6 Rozpoznawanie Sugestia diagnozy Główne rodzaje zobrazowań medycznych Rentgenografia (RTG) Tomografia komputerowa (CT) Magnetyczny rezonans jądrowy (MRI) Diagnostyka obrazowa Scyntografia (SPECT) Pozytronowa emisyjna tomografia (PET) Termografia (TG) Ultrasonografia (USG) Fotogrametria (FGM) 5
Charakterystyka różnych metod obrazowania medycznego FGM Rozdzielczość obrazu PET MRI RTG CT TG SPECT USG Szybkość obrazowania Charakterystyka różnych metod obrazowania medycznego PET Koszt badania MRI TG SPECT RTG CT USG FGM Stopień szkodliwości 6
Rentgenografia RTG Promienie X Promienie X RTG Ogólna charakterystyka Wykorzystuje przenikające ciało promienie X, których zróżnicowane pochłanianie w poszczególnych narządach wytwarza potrzebny obraz. W obrazowaniu tkanek miękkich stosuje się substancje kontrastujące. Przeznaczenie Uwidocznienie struktury narządów wewnętrznych w postaci cieni o zróżnicowanej szarości. Rentgenografia RTG Wilhelm Roentgen Nagroda Nobla (1901 r.) 7
Rentgenografia RTG Technika pomiaru, aparatura Rentgenografia RTG Przykładowe obrazy 8
Tomografia komputerowa CT (TK) Promienie X Promienie X CT RTG Ogólna charakterystyka Przeznaczenie Wykorzystuje przenikające ciało promienie X, których zróżnicowane pochłanianie odtwarzane jest na drodze obliczeń komputerowych. Uwidocznienie struktury narządów wewnętrznych w postaci przekrojów. Narządy nie przesłaniają się wzajemnie. Tomografia komputerowa Nagroda Nobla (w dziedzinie medycyny) w 1979 r. Pierwszy tomograf zbudowano w 1968 roku. Wykorzystano podstawy matematyczne opracowane przez Johanna Radona (rekonstrukcja kształtu przedmiotu na podstawie jego rzutów). Pierwszy pacjent został przebadany w 1972 roku. Generowanie obrazu o wymiarach 80x 80 pikseli trwało ok. 7 min (minikomputer Data General Nova). Godfrey Hounsfield (GB) Elektronik Allan Cormack (USA) Fizyk 9
Tomografia komputerowa - zasada działania Tradycyjna rentgenografia zalety: niski koszt aparatu i badania Wady: obrazowane narządy wewnętrzne mogą się przesłaniać utrudniając poprawną medycznie interpretację obrazu. Np. trudno uzyskać obraz rentgenowski mózgu, gdyż kości czaszki przysłaniają obraz struktur wewnętrznych. Tomografia komputerowa zasada działania Tomografia komputerowa - metoda obrazowania, w której również wykorzystuje się promienie X oraz fakt ich pochłaniania w strukturach wewnętrznych ciała. Obraz w TK jest otrzymywany w wyniku pomiaru pochłaniania na różnych drogach oraz skomplikowanych obliczeń matematycznych, które nazywa się rekonstrukcją obrazu. 10
Tomografia komputerowa zasada działania W TK prześwietlany obiekt obraca się w wiązce promieni X pozwala to na uzyskanie pomiarów pochłaniania promieniowania pochodzących z różnych kierunków jego przenikania przez badany obiekt (ciało pacjenta). Ustalenie jak silne jest pochłanianie promieni X na różnych drogach umożliwia prawidłowe odtworzenie rozmiarów, kształtów i wzajemnego położenia struktur wewnętrznych. Obieganie ciała pacjenta przez lampę rentgenowską i matrycę detektorów (czas obrotu - 0.3 1 sek) Wynikiem badania tomograficznego jest zawsze seria przekrojów badanej części ciała Tomografia komputerowa - zasada działania Gantry Stół przesuwny Rozwiązanie tradycyjne ruch obrotowy (detektorów i lampy) naprzemiennie z ruchem posuwistym stołu System wizualizacji Główne elementy konstrukcyjne tomografu Zasada działania tomografii spiralnej 11
Zasada tworzenia zobrazowania tomograficznego Na drodze L przenikana promieniowania X mierzy się natężenie promieniowania przed wejściem w ciało pacjenta (I 0 ) i po wyjściu (I). Można na tej podstawie wyliczyć sumaryczną zdolność pochłaniania promieniowania przez wszystkie struktury wewnętrzne leżące na drodze L. Taki pojedynczy pomiar niewiele daje. Do uzyskania obrazu trzeba znaleźć stopień pochłaniania promieniowania w każdym punkcie ciała badanego pacjenta μ(x,y,z), gdzie x, y i z są współrzędnymi przestrzennymi punktu (lub tylko μ(x,y), gdy mamy ustalone położenie przekroju (warstwy zdjęcia)). W tym celu trzeba każdy punkt przekroju prześwietlić wieloma promieniami biegnącymi w różnych kierunkach. Lampa I 0 L L I Detektor Zasada tworzenia zobrazowania tomograficznego X 1 X 2 X 3 X 4 X 1 + X 2 = 3 X 1 + X 3 = 4 X 3 + X 4 = 4 X 2 + X 4 = 3 1 2 3 1 X 1 = 1 X 2 = 2 X 3 = 3 X 4 = 1 Uproszczony przykład obliczeń ilustrujący zasadę rekonstrukcji obrazu w TK 12
Zasada tworzenia zobrazowania tomograficznego X 1 X 2 16 X 3 X 4 6 8 10 12 14 Wynik skanowań 8 8 16 3 3 6 7.5 8.5 2.5 3.5 9 7 1 5 16 6 16 8 14 10 12 11 11 Drugi etap iteracji 6 Iteracyjna metoda rekonstrukcji obrazu w TK W pierwszym przybliżeniu zakładamy, że w każdym wierszu są jednakowe wartości pochłaniania. W drugiej iteracji korygujemy wartości pochłaniań w poszczególnych wokselach, aby uzyskać zgodność w kolumnach i nie utracić zgodności w wierszach. W trzeciej iteracji korygujemy wartości pochłaniań w poszczególnych wokselach, aby uzyskać zgodność pochłaniania na przekątnych i nie utracić zgodności w wierszach i kolumnach. 10 12 11 11 8 10 12 14 Pierwszy etap iteracji Końcowy wynik rekonstrukcji Wizualizacja obrazów tomograficznych W badaniach TK otrzymujemy zawsze całą serię obrazów. Pojedynczy przekrój o grubość 0.75 mm 10 mm to matryca wokseli, które są odwzorowywane na piksele i wizualizowane. Rozdzielczość woksela to ok.0.5 x 0.5 x 0.6 mm. Większa rozdzielczość to lepsza jakość obrazu, ale też większa dawka promieniowania Obrazy z TK są wysokiej jakości i dobrze czytelne 13
Wizualizacja obrazów tomograficznych Skala Hounsfielda wyraża zdolność pochłaniania promieniowania rentgenowskiego. Powietrze Woda Metal 1000 0 1000 Graficzna prezentacja skali Hounsfielda Przykładowe wartości: Tłuszcz: od - 100 HU do - 150 HU Krew: od + 30 HU do + 45 HU Mięśnie: + 40 Hu Kości: powyżej + 400 HU Wizualizacja obrazów tomograficznych W badaniach TK wartość stopnia pochłaniania ( w jednostkach Hounsfielda) mogą być wyznaczone z dokładnością do 1 HU (a nawet ułamka HU). Oznacza to, że cyfrowy obraz TK jest reprezentowany w 12 16 bitowej skali szarości (od 4096 do 65536 rozróżnialnych poziomów szarości). Człowiek może rozróżnić nie więcej niż 60 poziomów szarości. Przy prezentowaniu lekarzowi obrazów CT korzystamy z odwzorowania zubażającego ilość prezentowanych informacji (najczęściej w 256 stopniowej skali szarości). Zastosowanie funkcji okna dla polepszenia czytelności obrazu TK 14
Rekonstrukcja 3D Trójwymiarowe rekonstrukcje wnętrza ciała są niezwykle atrakcyjne i ekspresyjne ale niosą bardzo mało użytecznych informacji diagnostycznych Magnetyczny rezonans jądrowy MRI (NMR) Pole magnetyczne Mikrofale MRI Ogólna charakterystyka Umieszczenie pacjenta w silnym polu magnetycznym powoduje, że jądra niektórych atomów pod wpływem impulsu elektromagnetycznego generują mikrofale, które się obrazuje. Przeznaczenie Różnicowanie tkanek, które przy innych zobrazowaniach są identyczne, a które różnią się zawartością określonych atomów. Można obrazować GAMMA zarówno struktury, jak i funkcje narządów. 15
Magnetyczny rezonans jądrowy MRI NMR Nuclear Magnetic Resonance Ponieważ pojęcie nuclear (nuklearny, jądrowy) źle się kojarzy, dlatego metodę nazwano: Magnetic Resonance Imaging (MRI) MRI zasada działania N B 0 B 1 Budowa MRI i usytuowanie pacjenta w trakcie badania pacjent jest ulokowany w odpowiednio kształtowanych dwóch polach magnetycznych: stałego B 0 i zmiennego B 1 S Schemat wzajemnej orientacji stałego pola magnetycznego B 0 i pola zmiennego B 1 wytwarzanych w MRI 16
MRI zasada działania Jądra niektórych atomów (np. wodoru) wykazują moment magnetyczny w polu magnetycznym zachowują się jak dipole i podlegają określonemu uporządkowaniu (orientacji). Linie pola magnetycznego jąder atomów ustawiają się równolegle do kierunku (linii sił) wytworzonego pola magnetycznego. B 0 B 0 Orientacja momentów magnetycznych (dipoli) jąder atomów bez pola oraz w obecności stałego pola magnetycznego Moment magnetyczny jądra wodoru (te atomy wykorzystuje się w MRI, bowiem wodór wchodzi w skład niemal wszystkich ważnych biologicznie cząsteczek chemicznych) jest bardzo mały i nie wystarczy, aby go wykorzystać do mapowania rozmieszczenia tych jąder w tkankach. MRI zasada działania W MRI wykorzystuje się zjawisko rezonansu magnetycznego, które zachodzi w silnym stałym polu magnetycznym B 0 (dla magnesów stałych do 0.5 T, dla magnesów nadprzewodzących ponad 1 T) przy równoczesnym działaniu zmiennego prostopadłego pola magnetycznego (zjawisko to odkryli fizycy Felix Bloch i Edward Mills Purcell (nagroda Nobla z fizyki w 1952 roku)). Jądra atomów wodoru absorbują energię zmiennego pola magnetycznego (o charakterze impulsowym) i oddają ją w formie fal eketromagnetycznych (radiowych) Sygnał pobudzający B 1 Sygnał radiowy odebrany na skutek rezonansu Główne pole magnetyczne B 0 Zjawisko rezonansu oznacza, że jądra atomów wodoru wysyłają sygnał w postaci fali radiowej, który może być zarejestrowany i zmierzony. 17
MRI zasada działania Impuls zmiennego pola magnetycznego 100% 63% 36% T 1 T 2 Zjawisko releksacji magnetyzacji (absorpcji energii) i demagnetyzacji (oddawania energii) pod wpływem impulsu zmiennego pola magnetycznego. Czas Czasy relaksacji (T 1 i T 2 ) zależą od otoczenia, w którym znajdują się jądra atomów wodoru (a więc od rodzaju tkanki). Dla tkanek ludzkich czasy te przyjmują wartości od 0.08 s do 2.5 s. Im czas relaksacji jest większy, tym emitowany sygnał radiowy jest słabszy. Można tak kształtować impulsy zmiennego pola magnetycznego (czas ich trwania i odstępy pomiędzy nimi), aby w zależności od potrzeb w zarejestrowanym sygnale radiowym bardziej widoczne były różnice w czasach T 1 lub T 2. To zjawisko można obrazować im mniejszy czas relaksacji, tym silniejszy sygnał i tym np. jaśniejszy punkt. CT MRI (T 1 ) MRI(T 2 ) MRI czasy relaksacji Woda Płyn rdz. mózgowy Krew Mięśnie Nerki(rdzeń) Nerki (kora) Śledziona Mózg istota szara Mózg istota biała Wątroba 0 500 1000 1500 2000 2500 [ms] 18
MRI zasada działania Wiemy już jak powstają obrazy MRI pozostaje problem, jak powiązać piksele obrazu MRI z wokselami ciała pacjenta, z których odbierane są sygnały radiowe. Wykorzystuje się tutaj następujące prawo: Aby zmienne pole magnetyczne B 1 wywołało rezonans magnetyczny, częstotliwość zmian tego pola musi być ściśle określona (tzw. częstotliwość Larmora). Częstotliwość ta zależy od natężenia stałego pola magnetycznego B 0. B 0 z z Jeśli w tomografie będzie gradientowe pole B 0 (o mocy malejącej (rosnącej) wzdłuż osi ciała pacjenta), to dla określonej częstotliwości pola zmiennego B 1 pojawi się rezonans magnetyczny tylko w jednej warstwie ciała pacjenta (wydzielona płaszczyzna przekroju ciała pacjenta). Płaszczyznę tę można przesuwać zmieniając częstotliwość zmiennego pola magnetycznego B 1. Nagroda Nobla z medycyny Paul Lauterbur i Peter Mansfield (2003) Magnetyczny rezonans jądrowy MRI Przykładowe obrazy T1, T2, PD (Proton Density Weighting) obrazy MRI MRA zobrazowanie Magnetic Resonance Angiography 19
Metody radioizotopowe (Scyntografia) SPECT (Gamma) Izotop promieniotwórczy Promienie g MRI SPECT Ogólna charakterystyka Wprowadzenie do ciała pacjenta substancji biologicznie czynnych znakowanych izotopami promieniotwórczymi pozwala lokalizować miejsca oraz procesy gromadzenia i metabolizowania tych substancji. Przeznaczenie Można obrazować zarówno struktury obszarów silniej i słabiej uczestniczących w metabolizmie rozważanych substancji, jak i funkcje narządów śledząc tempo gromadzenia i usuwania izotopów. Scyntografia SPECT Technika pomiaru, aparatura 20
Scyntografia SPECT Przykładowe obrazy Pozytronowa emisyjna tomografia PET Izotop promieniotwórczy Promienie g RTG PET Ogólna charakterystyka Krótkożyciowe izotopy promieniotwórcze emitujące w czasie rozpadu pozytrony wprowadzone do wybranych narządów, pozwalają dokładnie badać aktywność poszczególnych części tych narządów. Przeznaczenie Istota metody polega na dokładnym Ultradźwięk lokalizowaniu w organizmie pacjenta znakowanego izotopem USG związku wykazującego specyficzne zdolności wiązania się z komórkami przejawiającymi interesującą formę aktywności. 21
Pozytronowa emisyjna tomografia PET Technika pomiaru, aparatura Pozytronowa emisyjna tomografia PET Przykładowe obrazy 22
Ultrasonografia USG Ultradźwięk Ultradźwięk USG Ogólna charakterystyka Wnętrze ciała pacjenta penetrowane jest przez wiązki ultradźwięków, które odbijając się od powierzchni narządów i ich elementów składowych pozwalają na ich obrazowanie. Przeznaczenie Obrazowanie wewnętrznych narządów, a także ich ruchu. Możliwy pomiar szybkości przepływu (na przykład krwi) oraz trójwymiarowa rekonstrukcja ruchomych obiektów (na przykład płodu). Ultrasonografia USG Przykładowe obrazy 23
Ultrasonografia USG Przykładowe obrazy Termowizja (Termografia) TG Podczerwień RTG TG Ogólna charakterystyka Badana jest emisja promieniowania podczerwonego wywołanego naturalną ciepłotą ciała pacjenta. Przeznaczenie Rejestrowane jest promieniowanie cieplne powierzchni ciała pacjenta, ale pośrednio można wnioskować o strukturze i funkcjach narządów wewnętrznych śledząc FGMna powierzchni ciała obszary o podwyższonej lub obniżonej temperaturze. 24
Termowizja TG Kamery termowizyjne Termowizja TG Przykładowe obrazy 25
Fotografia (Fotogrametria) FGM Światło Światło FGMRTG Ogólna charakterystyka Obserwowane jest ciało pacjenta lub jego fragmenty (np. komórki pobrane w czasie biopsji) w świetle widzialnym (lub w zakresie bliskim światłu widzialnemu np. w ultrafiolecie). Przeznaczenie Możliwa jest ocena struktur mikroskopowych (histologia) lub makroskopowych (diagnostyka chorób skóry, lub wad postawy i zaburzeń ruchu). Fotografia FGM Technika pomiaru, aparatura 26
Fotografia FGM Przykładowe obrazy Endoskopia (Gastroskopia, kolonoskopia, bronchoskopia) 27
Endoskopia kapsułkowa Video Capsule Endoscopy, VCE Kapsułka połykana wędruje przez układ pokarmowy i jest wydalana. Czas wędrówki ok. 8 godzin. W tym czasie robi ok. 50 60 tys. zdjęć. Są bezprzewodowe przesyłane do rejstratora umieszczonego na brzuchu pacjenta Funduskamera (badanie dna oka) 28