Föreläsningens tema. Computerised Image Analysis VT03 5/11/2005. Medicinsk bildbehandling. Arbetsflödet vid medicinsk bildanalys

Transkript

1 Medicinsk bildbehandling Del 1: Bildskapande och visualisering Prof. Ewert Bengtsson Centrum för bildanalys # 1 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, bearbeta och tolka medicinska bilder Denna föreläsning visuell tolkning Nästa föreläsning datoriserad bildanalys Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 2 Arbetsflödet vid medicinsk bildanalys Problem Bildskapande Bildbehandling Segmentering Egenskapsextraktion, bildbeskrivning Klassificering, igenkänning, tolkning Lösning Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 3 1

2 Arbetsflödet vid medicinsk bildbehandling och visuell bildanalys Problem Bildskapande Bildbehandling Segmentering Visualisering Egenskapsextraktion, bildbeskrivning Klassificering, igenkänning, tolkning Lösning Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 4 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 5 Medicinskt bildskapande modaliteter XRay,, CT PET, SPECT MRI Ultrasound Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 6 2

3 Mikroskopi - ytterligare ett viktigt sätt skapa medicinska bilder Utelämnas i denna föreläsning Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 7 Röntgen teknikens uppfinnare Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 8 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 9 3

4 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 10 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 11 Modern digital fluoroscopi Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 12 4

5 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 13 Klassisk röntgenprojektion, ger en tvådimensionell skuggbild Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 14 Lungor - Pulmonary Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 15 5

6 Konventionell kontra digital, högfrekvensförstärkt röntgenbild Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 16 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 17 Muskler och skelett Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 18 6

7 Blodkärl - Angiografi Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 19 Angiography Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 20 Mammography Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 21 7

8 Datortomografi CT - Computed Tomography Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 22 Computed Tomography (CT) Skapar bilder av skivor genom kroppen Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 23 Tomografisk funktionsprincip Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 24 8

9 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 25 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 26 CT: skelett - hjärna Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 27 9

10 Buken - abdominal Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 28 CT - Angiografi Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 29 Magnetisk Resonans Tomografi (MRI) Bygger på magnetiska pulssekvenser i ett starkt magnetfält T1 T2 PD Olika pulssekvenser ger olika kontrast Skivornas orientering kan väljas fritt Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 30 10

11 2003 års Nobelpris i Fysiologi eller Medicin gällde MRT Förra årets Nobelpris gick till : Paul C. Lauterbur Peter Mansfield Det fanns en tredje uppfinnare som var 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! Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 31 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 32 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 XYo ( e -t/t2 ) M XY =M XYo Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 33 11

12 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 34 Muskler och skelett (leder) Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 35 Neurologiskt Multiple sclerosis Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 36 12

13 Angiografi Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 37 Angiografi Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 38 Buken Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 39 13

14 Hjärtat Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 40 Functional imaging Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 41 Nya öppnare MR designer Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 42 14

15 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, andning kan öka detaljskärpan Kontrastmedel kan framhäva vissa strukturer Med funktionell MR, fmri kan aktivitet i t.ex. hjärnan registreras Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 43 Att studera vidare om MR En bra beskrivning av MRI tekniken finns på En bra populär beskrivning om vad MR är finns på /medicine/laureates/2003/press- sv.html Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 44 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 45 15

16 Positron Emissions Tomografi : skannern Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 46 Positron Emission Tomografi : accelerator för att skapa de radioaktiva spårämnena Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 47 PET - funktionsprincipen Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 48 16

17 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 49 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 50 Exempel på PET-bilder Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 51 17

18 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 52 PET i Uppsala PET-forskningen i Uppsala ligger mycket väl framme internationellt Häromåret såldes PET-centrum till Amersham- Biosciences och Imanet AB bildades Amersham-Biosciences har nu köpts av GE Medical Fortsatt forskningssamarbete med universitetet Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 53 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 54 18

19 Scintigraphy - SPECT kamera Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 55 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= Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 56 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 57 19

20 Tillämpningsexempel Att detektera benmetastaser Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 58 Ultraljudsavbildning Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 59 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 60 20

21 Ultraljud, bäst på att visa mjukdelar Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 61 Hjärtat Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 62 Magen Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 63 21

22 Fosteravbildning Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 64 Ultraljud för fosterundersökningar Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 65 Ultraljud kan visa flöden bl.a. med Dopplerteknik Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 66 22

23 Visualisering av medicinska bilder 2D Har hittills dominerat 3D Multi-Planar Reconstruction Maximum Intensity Projection Surface Rendering Volume Rendering Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 67 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 68 Multi-Planar Reconstruction Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 69 23

24 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 70 Volymsrendreringsmetoder Enstaka modalitet Grånivågradientskuggning Maximum intensitets projektion (MIP) Integrerande projektion Multipla modaliteter Kombinerad rendrering Implicit segmentering Ytprojektion of kortical activitet Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 71 Maximum Intensitets Projektion Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 72 24

25 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 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 73 Volymsredreringsexempel Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 74 Skuggade ytor Shaded Surface Display (SSD) Kräver segmentering Ytelementen skuggas eller färgsätts I enlighet med någon belysningsmodell Om så önskas kan textur också läggas till Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 75 25

26 Kan lägga på färg för olika organ vilket kan ge mycket detaljrika 3D visualiseringar Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 78 26

27 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 81 27

28 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 82 Visualisering av Ultraljuds 3D bilder Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 83 Visualisering av «The Visible Human» Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 84 28

29 Framtidsperspektiv Sammansmältning av bilder från olika tekniker (MR, CT, PET, ) Dual imaging enheter Sammansmältning genom bildbehandling - Image Fusion Interventionell användning av medicinska bilder Real-time imaging Virtual surgery Mer kapacitet och svårare problem Mer datorresurser (Moores lag) Ökning av upplösning (växer kubiskt), läkarnas förväntningar Fullständigt automatisk analys är en (orealistisk) dröm Alltför viktigt inte göra fel Bra interaktiva system är pålitligare Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 85 Det var allt, tack för intresset!lder från Tack också till Xavier Tizon och övriga som bidragit med bilder Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 29