Analýza obrazu. Daniel Smutek

Transkript

1 Analýza obrazu Daniel Smutek

2

3 Biological imaging Radiology (clinical imaging) Endoscopy Microscopy Maps from biomedical signals electroencephalography (EEG) magnetoencephalography (MEG)

4 Clinical/Medical Imaging X-ray (Projection radiography) -contrast, double contrast Computed tomography (CT) Ultrasound Magnetic resonance imaging (MRI) Nuclear medicine Positron emission tomography (PET)

5 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)

6 Radiation exposure Examination Relative dose Chest X-ray 1 Head CT 75 Abdomen CT 265 Chest CT 290 Chest, Abdomen and Pelvis CT 495 Cardiac CT angiogram 500 CT colonography (virtual colonoscopy) 250

7 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

8 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

9 Rozlišení/vzorkování 256x256 pixelů 128x128 pixelů 64x64 pixelů 32x32 pixelů 16x16 pixelů 8x8 pixelů

10 Noise

11 Počet odstínů/kvantování 256 odstínů šedi 16 odstínů šedi 8 odstínů šedi 4 odstíny šedi černá a bílá

12 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

13 Originální obraz

14 Snížení jasu

15 Zvýšení jasu

16 Změny jasu (přičítání, odčítání)

17 Změna jasu Zvýšení jasu přičtení konstanty >0 17

18 Změna jasu Snížení jasu odečtení konstanty >0 18

19 Originální obraz

20 Snížení kontrastu

21 Zvýšení kontrastu

22 Změny kontrastu (násobení, dělení)

23 Změna kontrastu Zvýšení kontrastu násobení konstantou >1 23

24 Změna kontrastu Snížení kontrastu dělení konstantou >1 24

25 Vyrovnání histogramu (Histogram Equalization) CT snímek řez hrudníkem 25

26 Computer Aided Diagnosis (CAD) Diagnosis

27 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

28 Thyroid and its Function Hyperfunction - orbitopathy Hypofunction - cretenism

29

30 2D histogram co-occurrence matrix obraz grey levels kookurenční matice (2D histogram) pro (1;0) 1D histogram

31 Haralick Texture Features for 2D Image Segmentation co-occurrence matrix : normalization : Haralick features : We used 15 texture features: entropy texture contrast texture correlation texture homogeneity inverse difference moment... e.g. texture homogeneity :

32

33 Digitální Subtrakční Angiografie po vstříknutí kontrastu - odečtení maska zvýšení kontrastu

34

35 35

36 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

37 Segmentation of CT 3D Images in Medicine diagnosing organs segmentation Future-CAD project

38 Texture-based segmentation of 3D Images 2D texture image segmentation well established 3D texture segmentation can use more information

39 Example Results of Segmentation original image hand-made segmentation automatic segmentation using our method

40 40

41 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

42 Sample CT scans

43 43

44 44

45 45

46 46

47 47

48 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

49 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

50 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)

51 Odstíny šedi přizpůsobení velkého rozsahu přijímaných intenzit (až 1000) možnostem zobrazení ve škále šedi. většina přístrojů zobrazuje 256 odstínů šedi

52 Vznik obrazu obraz vyšetřované roviny vzniká zpracováním údajů o době mezi vysláním zvukového impulsu a návratem části odraženého vlnění amplitudy frekvence

53 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

54 A-mód A-obraz staticky a jednorozměrně znázorňuje trasu vyslaného ultrazvukového paprsku počátky klinicky použitelného ultrazvuku - rozlišení např. cyst od solidních útvaru (nádorů).

55 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

56 B-mód dvourozměrné zobrazení v reálném čase ultrazvukové vlnění je vysíláno s frekvencí 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

57 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)

58 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)

59 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.

60 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

61

62 PACS computers or networks dedicated to the storage, retrieval, distribution and presentation of images integration with hospital information system radiology information system (RIS).

63 DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine Standard for medical imaging handling storing printing transmitting file format definition network communications protocol (TCP/IP based)

64 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 [ ] Study Time (0008,0030) 1 TM [18:03: ] 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 [ \ \ ] Image Orientation (Patient) (0020,0037) 6 DS [ \ \ e-009\ \ \ ] Slice Location (0020,1041) 1 DS [ ] Rows (0028,0010) 1 US [256] Columns (0028,0011) 1 US [192] Pixel Spacing (0028,0030) 2 DS [ \ ] 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]

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84 Registrace umístění obrazu různých modalit do systému se stejnými souřadnicemi, tj. aby si místa v obraze vzájemně prostorově odpovídaly

85

86

87

88

89

90 PET transverzální řez

91

92

93

94

95

96

97 Najdi 9 hlav

98 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, e- learningové materiály ze stránek ústavů 1. LF UK / / (biofyzika, fyziologie, nukleární medicína, radiologie) 98