Biomedicinskt bildskapande och bildanalys

Transkript

1 Biomedicinskt bildskapande och bildanalys Föreläsning vid Medicinteknisk introduktionskurs Ewert Bengtsson Professor i datoriserad bildanalys Centrum för bildanalys

2 Föreläsningens tema Bilder är av central betydelse för medicinsk diagnostik, En dramatisk utveckling av medicinskt bildskapande har ägt rum de senaste decennierna Skall diskutera olika sätt att skapa och tolka medicinska bilder Litteratur: Kapitel 8 i Medicin och teknik, samt sidorna , samt dessa PPTbilder

3 Medicinskt bildskapande Med hjälp av olika delar av det elektromagnetiska spektrat PET hårda gammastrålar, 511keV Röntgenbilder, CT Synligt ljus Värmebilder, termografi Radiovågor från kärnspinn, MRT Kroppens egen elektriska aktivitet, EEG Ljudvågor, ultraljud

4 Röntgen teknikens uppfinnare

5 Tekniktrender Sedan drygt 100 år röntgenteknik med hjälp av analog elteknik och fotografisk teknik Sedan drygt 25 år med hjälp av digitalteknik Liksom på alla andra områden sker en snabb utveckling där den digitala tekniken tar över

6 Fluoroskopi kontra radiografi Fluoroskopi genomlysning, ger levande bild på patienten, kan ställa realtids diagnos, se rörliga förlopp, styra vissa undersökningar, ger hög strålbelastning också för läkaren Radiografi röntgenfotografering erhåller en frusen, permanent stillbild, kan tolka i lugn och ro, ger medicinsk och juridisk dokumentation

7 Fluoroskopi Fluoroscope, ursprungligen zinkkadmiumsulfidskärm, 7% verkningsgrad Elektrooptiska bildförstärkare med fluorescensskärm (> ggr förstärkning) Bildförstärkare med TV-kamera (rör eller CCD) Digital registrering av bilden från TV-kameran Digital fluoroskopi Digital subtraktionsangiografi

8 Modern digital fluoroscopi

9 Radiografi Ursprungligen direkt filmexponering, ger högst skärpa men låg verkningsgrad, används endast i specialfall, t.ex. tandröntgen Förstärkningsskärmar omvandlar röntgen till ljus, vinst ggr Kan använda sekundärbländare, raster för att minska spritt ljus och öka kontrast Filmen kan ersättas av bildplattor, ger större dynamiskt omfång och direkt möjlighet digitalisera och förbättra bilden

10 Klassisk röntgenprojektion, ger en tvådimensionell skuggbild

11 Konventionell kontra digital, högfrekvensförstärkt röntgenbild

12 Digital radiografi, fördelar: Större kontrastomfång ger mycket färre omtagningar pga felexponering Digital bildhantering ger färre förlorade filmer och förenklad arkivering Mer miljövänligt genom mindre film och kemikalieförbrukning Enklare konsultera andra experter via datornätverk

13 Computed Tomography (CT) Skapar bilder av skivor genom kroppen

14 Datortomografens funktion

15 Tomografisk funktionsprincip

16 CT-funktionsprincip I ett stort antal projektionsstrålar genom kroppen mäts röntgentätheten, man får alltså många täthetsprofiler Dessa kan återprojiceras in i planet genom utnyttjande av Radons formel eller genom filtrerad återprojektion CT ger god kontrastupplösning och mycket god geometrisk noggrannhet

17 CT bildens egenskaper CT absolutmäter röntgentäthet enligt Hounsfields skala där är luft 0 är vatten är ben Genom att sätta olika kontrastfönster ser man olika vävnadstyper optimalt

18 Magnetisk Resonans Tomografi (MRI) Bygger på magnetiska pulssekvenser i ett starkt magnetfält Olika pulssekvenser ger olika kontrast Skivornas orientering kan väljas fritt

19 Årets Nobelpris i Fysiologi eller Medicin gäller MRT Årets Nobelpris gick till : Paul C. Lauterbur Peter Mansfield Det finns en tredje uppfinnare som är mycket upprörd, se How can Raymond Damadian be bypassed for an award on MRI? Dr Damadian has already been credited with the discovery of MRI! This year s Nobel Prize in Medicine is a Shameful Wrong that must be Righted!

20 MRT funktionsprincip Atomkärnor med udda antal protoner/neutroner har spinn Spinnvektorn kan riktas upp med ett starkt magnetiskt fält Kan sedan störas med radiosignal i resonans med atomspinnets egenfrekvens, Larmorfrekvensen När atomerna sedan återgår i jämvikt blir de små radiosändare som kan avlyssnas Med styrning av fältgradienter och pulssekvenser kan man styra vilka atomer som aktiveras respektive avlyssnas och därigenom kan man skapa bilder i 2D och 3D

21 Några grundläggande MR-begrepp MR-bilder kan viktas till att visa två tidskonstanter som ger olika kontrast: T1 är tidskonstanten som bestämmer hur snabbt spinnet M Z återgår till jämviktsläge, den kallas spin lattice relaxation time M z = M o ( 1 - e -t/t1 ) T2 är tidskonstanten som anger återgången till jämvikt för den transversa magnetiseringen M XY, den kallas spin-spin relaxation time M XY =M XYo ( e -t/t2 )

22 MRT bildens egenskaper Mycket god kontrastupplösning i mjukdelar Stor flexibilitet med olika pulssekvenser som ger olika kontrast Ingen möjlighet till absolutbestämning av signalnivåer Dålig geometrisk noggrannhet Såvitt känt helt oskadlig teknik Fortfarande under stark utveckling

23 Nya öppnare MR designer

24 MRT tekniker En mängd faktorer påverkar bildens egenskaper Spolar för att uppfånga radiosignalerna anpassas till anatomi och patologi Ju närmare det avbildade organet ju bättre bild Olika pulssekvenser ger olika kontrast, upplösning, signalbrus och registreringstider Triggning till hjärtfrekvens, blodrörelser, andningkan öka detaljskärpan Kontrastmedel kan framhäva vissa strukturer Med funktionell MR, fmri kan aktivitet i t.ex. hjärnan registreras

25 Att studera vidare om MR En bra beskrivning av MRI tekniken finns på En högaktuell populär beskrivning om vad MR är finns på

26 Positron Emission Tomograpy (PET) PET visar koncentration och fördelning av positronstrålande spårämnen i patienten. Dessa bilder är funktionella, ej anatomiska, dvs de visar fysiologiska parametrar.

27 PET funktionsprincip Ett positronstrålande preparat införs i kroppen (måste tillverkas med accelerator) Positronerna kolliderar inom någon mm med en elektron och skapar två kollinjära 511keV gammakvanta Dessa detekteras av två detektorer i ringar runt personen och man räknar ut längs vilken linje sönderfallet skedde Återprojektion enligt tomografisk princip

28 PET bildens egenskaper Ger funktionella bilder med ganska god upplösning, ca 1 cm Kan märka glukos med C11 och därmed se var näring tas upp vilket visar t.ex. var i hjärnan arbete pågår Mycket specifika ämnen kan märkas varför tekniken har stor betydelse för läkemedelsforskning Behovet av en accelerator och ett snabbt kemiskt laboratorium som kan hantera radioaktiva preparat gör tekniken mycket dyr

29 Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) SPECT liknar PET och visar koncentration och fördelning av ett radioaktivt spårämne i patienten. Bilderna är funktionella ej anatomiska.

30 SPECT funktionsprincip Ett radioaktivt preparat införs i kroppen Med en matris av detektorer i en platta över kroppen detekteras ungefär var sönderfallen sker Plattan kan placeras i olika riktningar vilket ger möjlighet till tomografisk rekonstruktion Alternativt kan en snedhålskollimator användas och plattan roteras =ektomografi

31 SPECT-bildens egenskaper SPECT ger en funktionell bild med relativt låg upplösning, någon cm Bilderna är i grunden 3D Preparaten kan erhållas ur långlivade moderisotoper vilket är mycket billigare än accelerator Genom längre registreringar kan dynamiska förlopp studeras

32 Ultraljud Bygger på ekolodningsprincipen, ljud med hög frekvens, typiskt några MHz skickas in i kroppen och ekona studeras. Kan med en liten smidig utrustning ge dynamiska bilder i 2D och 3D Bilderna har vissa problem med koherent brus, speckle, och med icke-lineariteter i ljudets utbredning

33 Ultraljud, bäst på att visa mjukdelar

34 Ultraljud för fosterundersökningar

35 Ultraljud kan visa flöden bl.a. med Dopplerteknik

36 Digitalteknikens fördelar Kan skapa bilder med större kontrastomfång med mindre strålbelastning Kan hantera bilderna rationellt, PACS Kan skapa helt nya typer av bilder Snittbilder, datortomografi Tredimensionella volymsbilder Bilder på nya fysiologiska faktorer, t.ex. syreförbrukning eller flöde Kan visualisera bilderna på nya sätt, 3D Kan extrahera kvantitativ information ur bilderna

37 Människan kontra datorn Människa är överlägsen när det gäller att se och tolka mönster Datorn är överlägsen när det gäller att Lagra Transportera Presentera Kvantitativt räkna och mäta Datorn kan också göra bilderna bättre för mänsklig visuell analys

38 PACS - Datorn som bildadministrativ hjälpmedel Stora mängder bilder registreras dagligen på ett moderns sjukhus, administration och lagring av dessa drar stora resurser Ett Picture Archiving and Communication System, PACS, kan rationalisera detta Kräver kraftfulla lagringsenheter och nätverk, handlar typiskt om flera TB som skall lagras och hanteras SECTRA-Imtec i Linköping är ett ledande företag på detta område

39 Digital bildförbättring När man väl har bilderna i digital form kan datorn hjälpa till att presentera dem optimalt För att åstadkomma bildförbättring filtrerar man bilderna punktvis med omgivningsfilter eller i spektraldomänen

40 Punktvisa gråskaletransformer

41 Exempel på enkel gråskaletransform, kontrastinverterat mammogram

42 Kontrastförändring med ickelinjär gråskaletransform

43 Bildsubtraktion bild med kontrastmedel bild utan

44 Spatiell filtrering

45 Medelvärdesfiltrering Linjära kvadratiska medelvärdesfilter med ökande storlek 3,5,9,15,35

46 Brusreducerande filtrering Ursprungsbild 3x3 medelvärdesfilter 3x3 medianfilter

47 Laplacefilter 3x3

48 Kantförstärkande filter

49 Bildfiltreringsexempel a) Helkroppsbild, b) Laplacefiltrerad, c) Summa a och b d) Sobelfiltrerad a, e) 5x5 medel av e, f) c*e g) a+f h) Gråskaletransf. g

50 Bildförbättring med Context Visions metod (adaptiv omgivningsfiltrering)

51 Context Vision filtrering av MR

52 Medicinsk bildanalys: CAD - Computer Aided Diagnosis Att filtrera bilden så att den verkligen blir signifikant bättre för analys är svårt, synsinnet klarar att anpassa sig till ganska dåliga bilder Att automatiskt hitta abnormiteter i bilder är ännu svårare, kräver avancerad bildanalys Tekniken är precis på väg att mogna på detta område

53 Typisk Mammografibild

54 Typisk Mammografibild

55 Typisk Mammografibild

56 Computer Aided Detection (CAD) för mammografi On April 17, 2002, clearance has been granted by the U.S. Food and Drug Administration (FDA) for the use of R2 s proprietary mammography CAD technology with the GE Senographe full field digital mammography (FFDM) system Ett första genombrott för datorstödd bildanalys vid en av de svåraste typerna av röntgenbildstolkning

57 3D MRI En MR kamera ger en 3D bild. Klassisk röntgenbildshantering arbetar med 2D film. 3D bilder ger en hel trave 2D skivor att tolka tillsammans

58 Volymsrendrering En fiktiv ljusstråle skickas genom varje bildpunkt, i bildplanet. Bildpunktens färg avgörs av ljusstrålens växelverkan med volymselementen i volymen i kombination med olika ljuskällor.

59 Volymsrendreringsmetoder Enstaka modalitet Grånivågradientskuggning Maximum intensitets projektion (MIP) Integrerande projektion Multipla modaliteter Kombinerad rendrering Implicit segmentering Ytprojektion of kortical activitet 59

60 Grånivågradientskuggning Man bestämmer en grånivåtröskel och strålar skickas in i volymen till dess ett volymselement med ett värde högre än tröskeln påträffas. Intensitetsgradient vid dessa positioner kombineras med ljuskällorna för att rendrera bilden. Med skärningsplan kan delar av volymen tas bort för att göra andra delar synliga. MRI PET

61 Kan lägga på färg för olika organ vilket kan ge mycket detaljrika 3D visualiseringar

62

63 Maximum intensitets projektion (MIP) Längs varje stråle bestäms det maximala täthets/intensitets värdet Detta är särskilt användbart om man har små intensiva strukturer som i angiografi Kan dock bli rörigt med flera kärl som korsar och överlappar varandra

64 Med särskild bildbehandling (baserad på gråskalekonnektivitet) kan de olika kärlen separeras MIP projektioner av en kontrastförstärkt MRA volym. Ursprungliga MIP Artärerna Venerna

65 Blodkärlen kan också visualiseras som färgade solida strukturer

66 Bildsammansmältning Image Fusion Olika bildgivande modaliteter ger komplimentär information anatomi respektive fysiologi. Det finns därför behov av att sammansmälta data från olika undersökningsmetoder. Image fusion innefattar spatiell registrering kombinerad visualisering kombinerad analys 66

67 PET-MRI 67

68 SPECT-MRI

69 Multimodal registrering kan också kombineras med 3D visualisering - =

70 Ytprojektion of kortikal activitet

71 3D rekonstruktering och animering av Visible Human

72 Visualisering baserad på fysiskt skivad anatomi

73 3D visualisering kräver segmentering Små skillnader i vävnadstypernas egenskaper kräver avancerade segmenteringsmetoder Höga krav på korrekt återgivning av små detaljer i anatomin Behov av snabb växelverkan mellan människan och systemet Finns behov av mycket forskning

74 Sammanfattning Människan är bra på att se och tolka mönster Datorn är bra på att räkna och mäta Den tredimensionella verkligheten är svår att fullständigt återge på 2D bilder Datorn kan väsentligt förbättra den medicinska diagnostiken Hittills har det mest skett genom att skapa nya typer av bilder I framtiden kommer troligen också 3D visualisering och CAD att få stor betydelse

75 Det var allt, tack för intresset!