Biomedicinskt bildskapande och bildanalys Föreläsning vid Medicinteknisk introduktionskurs Ewert Bengtsson Professor i datoriserad bildanalys Centrum för bildanalys
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 660-665, samt dessa PPTbilder
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
Röntgen teknikens uppfinnare
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
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
Fluoroskopi Fluoroscope, ursprungligen zinkkadmiumsulfidskärm, 7% verkningsgrad Elektrooptiska bildförstärkare med fluorescensskärm (>10.000 ggr förstärkning) Bildförstärkare med TV-kamera (rör eller CCD) Digital registrering av bilden från TV-kameran Digital fluoroskopi Digital subtraktionsangiografi
Modern digital fluoroscopi
Radiografi Ursprungligen direkt filmexponering, ger högst skärpa men låg verkningsgrad, används endast i specialfall, t.ex. tandröntgen Förstärkningsskärmar omvandlar röntgen till ljus, vinst 100-10000 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
Klassisk röntgenprojektion, ger en tvådimensionell skuggbild
Konventionell kontra digital, högfrekvensförstärkt röntgenbild
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
Computed Tomography (CT) Skapar bilder av skivor genom kroppen
Datortomografens funktion
Tomografisk funktionsprincip
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
CT bildens egenskaper CT absolutmäter röntgentäthet enligt Hounsfields skala där -1000 är luft 0 är vatten +1000 är ben Genom att sätta olika kontrastfönster ser man olika vävnadstyper optimalt
Magnetisk Resonans Tomografi (MRI) Bygger på magnetiska pulssekvenser i ett starkt magnetfält Olika pulssekvenser ger olika kontrast Skivornas orientering kan väljas fritt
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 http://www.fonar.com/nobel.htm 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!
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
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 )
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
Nya öppnare MR designer
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
Att studera vidare om MR En bra beskrivning av MRI tekniken finns på http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm En högaktuell populär beskrivning om vad MR är finns på http://www.nobel.se/medicine/laureates/2003/press-sv.html
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.
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
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
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.
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
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
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
Ultraljud, bäst på att visa mjukdelar
Ultraljud för fosterundersökningar
Ultraljud kan visa flöden bl.a. med Dopplerteknik
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
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
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
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
Punktvisa gråskaletransformer
Exempel på enkel gråskaletransform, kontrastinverterat mammogram
Kontrastförändring med ickelinjär gråskaletransform
Bildsubtraktion bild med kontrastmedel bild utan
Spatiell filtrering
Medelvärdesfiltrering Linjära kvadratiska medelvärdesfilter med ökande storlek 3,5,9,15,35
Brusreducerande filtrering Ursprungsbild 3x3 medelvärdesfilter 3x3 medianfilter
Laplacefilter 3x3
Kantförstärkande filter
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
Bildförbättring med Context Visions metod (adaptiv omgivningsfiltrering)
Context Vision filtrering av MR
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
Typisk Mammografibild
Typisk Mammografibild
Typisk Mammografibild
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
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
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.
Volymsrendreringsmetoder Enstaka modalitet Grånivågradientskuggning Maximum intensitets projektion (MIP) Integrerande projektion Multipla modaliteter Kombinerad rendrering Implicit segmentering Ytprojektion of kortical activitet 59
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
Kan lägga på färg för olika organ vilket kan ge mycket detaljrika 3D visualiseringar
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
Med särskild bildbehandling (baserad på gråskalekonnektivitet) kan de olika kärlen separeras MIP projektioner av en kontrastförstärkt MRA volym. Ursprungliga MIP Artärerna Venerna
Blodkärlen kan också visualiseras som färgade solida strukturer
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
PET-MRI 67
SPECT-MRI
Multimodal registrering kan också kombineras med 3D visualisering - =
Ytprojektion of kortikal activitet
3D rekonstruktering och animering av Visible Human
Visualisering baserad på fysiskt skivad anatomi
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
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
Det var allt, tack för intresset!