Med info 2005 ewert1 - Uppsala University › edu › course › homepage › medinf › vt06 ›...

Computerised Image Analysis VT03 5/11/2005

1

# 12005-05-11

Medicinsk bildbehandling

Del 1: Bildskapande och visualisering

Prof. Ewert BengtssonCentrum för bildanalys

2005-05-11 Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 2

Föreläsningens temaFöreläsningens tema

•• Bilder är av central betydelse för medicinsk Bilder är av central betydelse för medicinsk diagnostikdiagnostik

•• En dramatisk utveckling av medicinskt En dramatisk utveckling av medicinskt bildskapande har ägt rum de senaste bildskapande har ägt rum de senaste decennierna decennierna

•• Skall diskutera olika sätt att skapa, bearbeta Skall diskutera olika sätt att skapa, bearbeta och tolka medicinska bilderoch tolka medicinska bilder•• Denna föreläsning Denna föreläsning –– visuell tolkningvisuell tolkning•• Nästa föreläsning Nästa föreläsning –– datoriserad bildanalysdatoriserad bildanalys


ArbetsflödetArbetsflödet vidvid medicinskmedicinsk bildanalysbildanalys

ProblemProblem

BildskapandeBildskapande

BildbehandlingBildbehandling

SegmenteringSegmentering

Egenskapsextraktion, bildbeskrivning Egenskapsextraktion, bildbeskrivning

Klassificering, igenkänning,Klassificering, igenkänning,tolkningtolkning

LösningLösning


2


ArbetsflödetArbetsflödet vidvid medicinskmedicinsk bildbehandlingbildbehandling ochochvisuellvisuell bildanalysbildanalys

ProblemProblem

BildskapandeBildskapande

BildbehandlingBildbehandling

SegmenteringSegmentering

Egenskapsextraktion, bildbeskrivningEgenskapsextraktion, bildbeskrivning

Klassificering, igenkänning,Klassificering, igenkänning,tolkningtolkning

LösningLösning

VisualiseringVisualisering


Medicinskt bildskapandeMedicinskt bildskapande

•• Med hjälp av olika delar av Med hjälp av olika delar av det elektromagnetiska det elektromagnetiska spektratspektrat•• PET PET –– hårda gammastrålar, hårda gammastrålar,

511keV511keV•• Röntgenbilder, CTRöntgenbilder, CT•• Synligt ljusSynligt ljus•• Värmebilder, termografiVärmebilder, termografi•• Radiovågor från kärnspinn, MRTRadiovågor från kärnspinn, MRT•• Kroppens egen elektriska Kroppens egen elektriska

aktivitet, EEGaktivitet, EEG

•• Ljudvågor, ultraljudLjudvågor, ultraljud


MedicinsktMedicinskt bildskapandebildskapande modalitetermodaliteter•• XRayXRay, CT, CT

•• PET, SPECTPET, SPECT

•• MRIMRI

•• UltrasoundUltrasound


3


MikroskopiMikroskopi -- ytterligareytterligare ettett viktigtviktigt sättsättskapaskapa medicinskamedicinska bilderbilder

•• UtelämnasUtelämnas i i dennadenna föreläsningföreläsning


Röntgen Röntgen –– teknikens uppfinnareteknikens uppfinnare


Tekniktrender Tekniktrender

•• Sedan drygt 100 år Sedan drygt 100 år röntgenteknik med hjälp av röntgenteknik med hjälp av analog elteknik och fotografisk analog elteknik och fotografisk teknikteknik

•• Sedan drygt 25 år med hjälp Sedan drygt 25 år med hjälp av digitalteknikav digitalteknik

•• Liksom på alla andra områden Liksom på alla andra områden sker en snabb utveckling där sker en snabb utveckling där den digitala tekniken tar överden digitala tekniken tar över


4


FluoroskopiFluoroskopi kontra radiografikontra radiografi

•• FluoroskopiFluoroskopi ––genomlysning,genomlysning,•• ger levande bild på ger levande bild på

patienten, patienten, •• kan ställa realtids diagnos, kan ställa realtids diagnos, •• se rörliga förlopp, se rörliga förlopp, •• styra vissa undersökningar, styra vissa undersökningar, •• ger hög strålbelastning ger hög strålbelastning

också för läkarenockså för läkaren

• Radiografi –röntgenfotografering• erhåller en frusen,

permanent stillbild, • kan tolka i lugn och ro, • ger medicinsk och juridisk

dokumentation


FluoroskopiFluoroskopi

•• FluoroscopeFluoroscope, ursprungligen zinkkadmiumsulfidskärm, , ursprungligen zinkkadmiumsulfidskärm, 7% verkningsgrad7% verkningsgrad

•• Elektrooptiska bildförstärkare med fluorescensskärm Elektrooptiska bildförstärkare med fluorescensskärm (>10.000 ggr förstärkning)(>10.000 ggr förstärkning)

•• Bildförstärkare med TVBildförstärkare med TV--kamera (rör eller CCD)kamera (rör eller CCD)•• Digital registrering av bilden från TVDigital registrering av bilden från TV--kamerankameran

•• Digital Digital fluoroskopifluoroskopi•• Digital subtraktionsangiografi Digital subtraktionsangiografi


Modern digital Modern digital fluoroscopifluoroscopi


5


RadiografiRadiografi

•• Ursprungligen direkt filmexponering, ger högst skärpa Ursprungligen direkt filmexponering, ger högst skärpa men låg verkningsgrad, används endast i specialfall, men låg verkningsgrad, används endast i specialfall, t.ex. tandröntgent.ex. tandröntgen

•• Förstärkningsskärmar omvandlar röntgen till ljus, vinst Förstärkningsskärmar omvandlar röntgen till ljus, vinst 100100--10000 ggr10000 ggr

•• Kan använda sekundärbländare, raster för att minska Kan använda sekundärbländare, raster för att minska spritt ljus och öka kontrastspritt ljus och öka kontrast

•• Filmen kan ersättas av bildplattor, ger större dynamiskt Filmen kan ersättas av bildplattor, ger större dynamiskt omfång och direkt möjlighet digitalisera och förbättra omfång och direkt möjlighet digitalisera och förbättra bildenbilden


Klassisk röntgenprojektion, ger en tvådimensionell skuggbild


Lungor Lungor -- PulmonaryPulmonary


6


Konventionell kontra digital, Konventionell kontra digital, högfrekvensförstärkt röntgenbildhögfrekvensförstärkt röntgenbild


Digital radiografi, fördelar:Digital radiografi, fördelar:

•• Större kontrastomfång ger mycket färre Större kontrastomfång ger mycket färre omtagningar omtagningar pgapga felexponeringfelexponering

•• Digital bildhantering ger färre förlorade filmer Digital bildhantering ger färre förlorade filmer och förenklad arkiveringoch förenklad arkivering

•• Mer miljövänligt genom mindre film och Mer miljövänligt genom mindre film och kemikalieförbrukningkemikalieförbrukning

•• Enklare konsultera andra experter via Enklare konsultera andra experter via datornätverkdatornätverk


Muskler och skelettMuskler och skelett


7


Blodkärl Blodkärl --AngiografiAngiografi


AngiographyAngiography


MammographyMammography


8


Datortomografi – CT -Computed Tomography


Computed Tomography (CT)

Skapar bilder av skivor genom kroppen


Tomografisk funktionsprincipTomografisk funktionsprincip


9


CTCT--funktionsprincipfunktionsprincip

•• I ett stort antal projektionsstrålar genom I ett stort antal projektionsstrålar genom kroppen mäts kroppen mäts röntgentäthetenröntgentätheten, man får alltså , man får alltså många täthetsprofilermånga täthetsprofiler

•• Dessa kan återprojiceras in i planet genom Dessa kan återprojiceras in i planet genom utnyttjande av Radons formel eller genom utnyttjande av Radons formel eller genom filtrerad återprojektionfiltrerad återprojektion

•• CT ger god kontrastupplösning och mycket god CT ger god kontrastupplösning och mycket god geometrisk noggrannhetgeometrisk noggrannhet


CT bildens egenskaperCT bildens egenskaper

•• CT CT absolutmäterabsolutmäter röntgentäthetröntgentäthet enligt enligt HounsfieldsHounsfields skala där skala där •• --1000 är luft1000 är luft•• 0 är vatten0 är vatten•• +1000 är ben +1000 är ben

•• Genom att sätta olika kontrastfönster ser man Genom att sätta olika kontrastfönster ser man olika olika vävnadstypervävnadstyper optimaltoptimalt


CT: CT: skelettskelett -- hjärnahjärna


10


BukenBuken -- abdominalabdominal


CT CT -- AngiografiAngiografi


Magnetisk Resonans Tomografi (MRI)

Bygger på magnetiska pulssekvenser i ett starkt magnetfält

Olika pulssekvenser ger olika kontrast

Skivornas orientering kan väljas fritt

T1 T2 PD


11


2003 års Nobelpris i Fysiologi eller 2003 års Nobelpris i Fysiologi eller Medicin gällde MRTMedicin gällde MRT

•• Förra årets Nobelpris gick till :Förra årets Nobelpris gick till :•• Paul C. Paul C. LauterburLauterbur•• Peter Mansfield Peter Mansfield

•• Det fanns en tredje uppfinnare som var mycket upprörd, se Det fanns en tredje uppfinnare som var mycket upprörd, se http://www.fonar.com/nobel.htmhttp://www.fonar.com/nobel.htm•• ””HowHow cancan Raymond Raymond DamadianDamadian be be bypassedbypassed for an for an awardaward

on MRI? Dr on MRI? Dr DamadianDamadian has has alreadyalready beenbeen creditedcredited with the with the discovery of MRI!”discovery of MRI!”

•• ”This ”This year’syear’s Nobel Nobel PrizePrize in Medicine is a in Medicine is a ShamefulShameful WrongWrongthat must be that must be RightedRighted!”!”


MRT funktionsprincipMRT 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 MRNågra grundläggande MR--begreppbegrepp

•• MRMR--bilder kan viktas till att visa två bilder kan viktas till att visa två tidskonstantertidskonstanter som som ger olika kontrast:ger olika kontrast:

•• T1 är T1 är tidskonstantentidskonstanten som bestämmer hur snabbt som bestämmer hur snabbt spinnet Mspinnet MZZ återgår till jämviktsläge, den kallas spin återgår till jämviktsläge, den kallas spin latticelattice relaxation time relaxation time MMzz = M= Moo ( 1 ( 1 -- ee--t/T1t/T1 ))

•• T2 är T2 är tidskonstantentidskonstanten som anger återgången till jämvikt som anger återgången till jämvikt för den transversa magnetiseringen Mför den transversa magnetiseringen MXYXY, den kallas , den kallas spinspin--spin relaxation time spin relaxation time MMXYXY ==MMXYoXYo( e( e--t/T2t/T2))


12


MRT bildens egenskaperMRT bildens egenskaper

•• Mycket god kontrastupplösning i mjukdelarMycket god kontrastupplösning i mjukdelar•• Stor flexibilitet med olika pulssekvenser som ger Stor flexibilitet med olika pulssekvenser som ger

olika kontrast olika kontrast •• Ingen möjlighet till absolutbestämning av Ingen möjlighet till absolutbestämning av

signalnivåersignalnivåer•• Dålig geometrisk noggrannhetDålig geometrisk noggrannhet•• Såvitt känt helt oskadlig teknikSåvitt känt helt oskadlig teknik•• Fortfarande under stark utvecklingFortfarande under stark utveckling


MusklerMuskler ochoch skelettskelett ((lederleder))


NeurologisktNeurologiskt

Multiple sclerosis


13


AngiografiAngiografi


AngiografiAngiografi


BukenBuken


14


HjärtatHjärtat


Functional imagingFunctional imaging


Nya öppnare MR designerNya öppnare MR designer


15


MRT teknikerMRT tekniker

•• En mängd faktorer påverkar bildens egenskaperEn mängd faktorer påverkar bildens egenskaper•• Spolar för att uppfånga radiosignalerna anpassas till Spolar för att uppfånga radiosignalerna anpassas till

anatomi och patologianatomi och patologi•• Ju närmare det avbildade organet ju bättre bildJu närmare det avbildade organet ju bättre bild

•• Olika pulssekvenser ger olika kontrast, upplösning, Olika pulssekvenser ger olika kontrast, upplösning, signalbrus och signalbrus och registreringstiderregistreringstider

•• Triggning till hjärtfrekvens, blodrörelser, andning kan Triggning till hjärtfrekvens, blodrörelser, andning kan öka detaljskärpanöka detaljskärpan

•• Kontrastmedel kan framhäva vissa strukturerKontrastmedel kan framhäva vissa strukturer•• Med funktionell MR, Med funktionell MR, fMRIfMRI kan aktivitet i t.ex. hjärnan kan aktivitet i t.ex. hjärnan

registrerasregistreras


Att studera vidare om MRAtt studera vidare om MR

•• En bra beskrivning av MRI tekniken finns på En bra beskrivning av MRI tekniken finns på http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htmhttp://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm

•• En bra populär beskrivning om vad MR är finns En bra populär beskrivning om vad MR är finns på på http://http://www.nobel.sewww.nobel.se/medicine//medicine/laureateslaureates/2003//2003/presspress--sv.htmlsv.html


Positron Emission Tomograpy (PET)

PET visar koncentration och fördelning av positronstrålande spårämnen i patienten. Dessa bilder är funktionella, ej anatomiska, dvsde visar fysiologiska parametrar.


16


Positron Emissions Tomografi : skannern


Positron Emission Tomografi : accelerator för att skapa de radioaktiva spårämnena


PET PET -- funktionsprincipenfunktionsprincipen


17


PET funktionsprincipPET funktionsprincip

•• Ett positronstrålande preparat införs i kroppen Ett positronstrålande preparat införs i kroppen (måste tillverkas med accelerator)(måste tillverkas med accelerator)

•• Positronerna kolliderar inom någon mm med en Positronerna kolliderar inom någon mm med en elektron och skapar två kollinjära 511keV elektron och skapar två kollinjära 511keV gammakvanta gammakvanta

•• Dessa detekteras av två detektorer i ringar runt Dessa detekteras av två detektorer i ringar runt personen och man räknar ut längs vilken linje personen och man räknar ut längs vilken linje sönderfallet skeddesönderfallet skedde

•• Återprojektion enligt tomografisk princip Återprojektion enligt tomografisk princip


PET bildens egenskaperPET bildens egenskaper

•• Ger funktionella bilder med ganska god upplösning, ca Ger funktionella bilder med ganska god upplösning, ca 1 cm1 cm

•• Kan märka glukos med C11 och därmed se var näring Kan märka glukos med C11 och därmed se var näring tas upp vilket visar t.ex. var i hjärnan arbete pågårtas upp vilket visar t.ex. var i hjärnan arbete pågår

•• Mycket specifika ämnen kan märkas varför tekniken Mycket specifika ämnen kan märkas varför tekniken har stor betydelse för läkemedelsforskning har stor betydelse för läkemedelsforskning

•• Behovet av en accelerator och ett snabbt kemiskt Behovet av en accelerator och ett snabbt kemiskt laboratorium som kan hantera radioaktiva preparat gör laboratorium som kan hantera radioaktiva preparat gör tekniken mycket dyrtekniken mycket dyr


Exempel på PET-bilder


18



PET i UppsalaPET i Uppsala

•• PETPET--forskningenforskningen i Uppsala ligger mycket väl i Uppsala ligger mycket väl framme internationelltframme internationellt

•• Häromåret såldes Häromåret såldes PETPET--centrumcentrum till till AmershamAmersham--BiosciencesBiosciences och och ImanetImanet AB bildadesAB bildades

•• AmershamAmersham--BiosciencesBiosciences har nu köpts av GE har nu köpts av GE MedicalMedical

•• Fortsatt forskningssamarbete med universitetetFortsatt forskningssamarbete med universitetet


Single Photon Emission ComputedTomography (SPECT)

SPECT liknar PET och visar koncentration och fördelning av ett radioaktivt spårämne i patienten. Bilderna är funktionella ej anatomiska.


19


Scintigraphy - SPECT kamera


SPECT funktionsprincipSPECT funktionsprincip

•• Ett radioaktivt preparat införs i kroppenEtt radioaktivt preparat införs i kroppen•• Med en matris av detektorer i en platta över Med en matris av detektorer i en platta över

kroppen detekteras ungefär var sönderfallen kroppen detekteras ungefär var sönderfallen skersker

•• Plattan kan placeras i olika riktningar vilket ger Plattan kan placeras i olika riktningar vilket ger möjlighet till tomografisk rekonstruktionmöjlighet till tomografisk rekonstruktion

•• Alternativt kan en Alternativt kan en snedhålskollimatorsnedhålskollimator användas användas och plattan roteras =och plattan roteras =ektomografiektomografi


SPECTSPECT--bildensbildens egenskaperegenskaper

•• SPECT ger en funktionell bild med relativt låg SPECT ger en funktionell bild med relativt låg upplösning, någon cmupplösning, någon cm

•• Bilderna är i grunden 3DBilderna är i grunden 3D•• Preparaten kan erhållas ur långlivade Preparaten kan erhållas ur långlivade

moderisotoper vilket är mycket billigare än moderisotoper vilket är mycket billigare än acceleratoraccelerator

•• Genom längre registreringar kan dynamiska Genom längre registreringar kan dynamiska förlopp studerasförlopp studeras


20


Tillämpningsexempel

Att detektera benmetastaser


Ultraljudsavbildning


UltraljudUltraljud

•• Bygger på ekolodningsprincipen, ljud med hög Bygger på ekolodningsprincipen, ljud med hög frekvens, typiskt några MHz skickas in i kroppen frekvens, typiskt några MHz skickas in i kroppen och ekona studeras.och ekona studeras.

•• Kan med en liten smidig utrustning ge Kan med en liten smidig utrustning ge dynamiska bilder i 2D och 3Ddynamiska bilder i 2D och 3D

•• Bilderna har vissa problem med koherent brus, Bilderna har vissa problem med koherent brus, specklespeckle, och med , och med ickeicke--lineariteterlineariteter i ljudets i ljudets utbredning utbredning


21


Ultraljud, bäst på att visa mjukdelarUltraljud, bäst på att visa mjukdelar


Hjärtat


Magen


22


Fosteravbildning


Ultraljud för fosterundersökningarUltraljud för fosterundersökningar


Ultraljud kan visa flöden bl.a. med Ultraljud kan visa flöden bl.a. med DopplerteknikDopplerteknik


23


VisualiseringVisualisering avav medicinskamedicinska bilderbilder

•• 2D2D•• HarHar hittillshittills domineratdominerat

•• 3D3D•• MultiMulti--Planar ReconstructionPlanar Reconstruction•• Maximum Intensity ProjectionMaximum Intensity Projection•• Surface RenderingSurface Rendering•• Volume RenderingVolume Rendering


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

3D MRI


MultiMulti--Planar ReconstructionPlanar Reconstruction


24


VolymsrendreringEn fiktiv ljusstråle skickas genom varje bildpunkt, i bildplanet. Bildpunktens färg avgörs av ljusstrålensväxelverkan med volymselementen i volymen i kombination med olika ljuskällor.

Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA 71

VolymsrendreringsmetoderVolymsrendreringsmetoder

•• Enstaka modalitetEnstaka modalitet•• GrånivågradientskuggningGrånivågradientskuggning

•• Maximum intensitets projektion (MIP)Maximum intensitets projektion (MIP)

•• Integrerande projektionIntegrerande projektion

•• Multipla modaliteterMultipla modaliteter•• Kombinerad Kombinerad rendreringrendrering

•• Implicit segmenteringImplicit segmentering

•• YtprojektionYtprojektion of of korticalkortical activitetactivitet


Maximum Maximum IntensitetsIntensitets ProjektionProjektion


25


Grånivågradientskuggning• Man bestämmer en grånivåtröskel och strålar skickas in i

volymen till dess ett volymselement med ett värde högre äntröskeln påträffas.

• Intensitetsgradient vid dessa positioner kombineras med ljuskällorna för att rendrera bilden.

• Med skärningsplan kan delar av volymen tas bort för att göraandra delar synliga.

MRI PET


VolymsredreringsexempelVolymsredreringsexempel


SkuggadeSkuggade ytorytorShaded Surface Display (SSD)Shaded Surface Display (SSD)

•• KräverKräver segmenteringsegmentering•• YtelementenYtelementen skuggasskuggas ellereller färgsättsfärgsätts I I

enlighetenlighet med med någonnågon belysningsmodellbelysningsmodell•• OmOm såså önskasönskas kankan texturtextur ocksåockså läggasläggas till till


26


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




27





28



Visualisering av Ultraljuds 3D bilder


Visualisering av « The Visible Human »


29


FramtidsperspektivFramtidsperspektiv

•• Sammansmältning av bilder från olika teknikerSammansmältning av bilder från olika tekniker ((MR, CT, PET,…)MR, CT, PET,…)•• Dual Dual imagingimaging enheterenheter•• Sammansmältning genom bildbehandling Sammansmältning genom bildbehandling -- Image FusionImage Fusion

•• Interventionell användning av medicinska bilderInterventionell användning av medicinska bilder•• RealReal--timetime imagingimaging•• VirtualVirtual surgerysurgery

•• Mer kapacitet och svårareMer kapacitet och svårare problemproblem•• Mer datorresurser (Moores lag)Mer datorresurser (Moores lag)•• Ökning av upplösning (växer kubiskt), läkarnas förväntningarÖkning av upplösning (växer kubiskt), läkarnas förväntningar

•• Fullständigt automatisk analys är en (orealistisk) drömFullständigt automatisk analys är en (orealistisk) dröm•• Alltför viktigt inte göra felAlltför viktigt inte göra fel•• Bra interaktiva system är pålitligare...Bra interaktiva system är pålitligare...

Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA

Det var allt, tack för intresset!lder från Tack också till Xavier Tizon och övriga som bidragit med bilder

Med info 2005 ewert1 - Uppsala University › edu › course › homepage › medinf › vt06 ›...

Documents

Transcript of Med info 2005 ewert1 - Uppsala University › edu › course › homepage › medinf › vt06 ›...