I. A digitális kép ORVOSI KÉPALKOTÓ ELJÁRÁSOK. Optikai csalódások - intenzitás. Optikai csalódások tér. Optikai csalódások méret, irány

Átírás

1 I. A digitális kép Hiszem ha látom!? Optikai csalódások: A látás nem csupán képi információ detektálása, hanem bonyolult feldolgozás is lezajlik ORVOSI KÉPALKOTÓ ELJÁRÁSOK Optikai csalódások méret, irány Kellermayer Miklós Optikai csalódások - intenzitás Optikai csalódások tér

2 Optikai csalódások mozgás Optikai csalódások mozgás Kép: szemmel közvetlenül megfigyelhető információ vagy mégsem? Kép: festmény

3 Kép: Fénymikroszkópos kép Lobulus hepaticus Kép: Pásztázó elektronmikroszkópos felvétel Kép: Atomerőmikroszkópos felvétel Kép: Orvosi diagnosztikai felvétel CT MRI VVT bakteriorodopszin DNS

4 A digitális kép A digitális kép: a tér különböző, diszkrét pontjain szín formájában megjelenített információ. Elemi képpontok 2 vagy 3 dimenziós hálózata, mátrixa. Információ: bármely, feszültséggé konvertálható változó (abszorbancia, koncentráció, relaxációs idő, intenzitás, stb.) y x P x,y A SZÍNHISZTOGRAM (intenzitás hisztogram, grayscale hisztogram) Az elkülönített színek (intenzitások) függvény formájában ábrázolhatók A digitális kép jellemzői: 1. Elemi képpont: pixel (pix=kép; element) 2. Pixelhez rendelt információ: a. XY lokalizáció: térbeli felbontással összefüggő koordináta értékek b. "Színmélység": színfelbontással összefüggő intenzitás v. denzitás érték 3. Térbeli felbontás (spatial resolution): Az X és Y irányban elkülöníthető pixelek száma 4. Színfelbontás (grayscale/color depth, denzitás, intenzitás, színmélység...): Az elkülöníthető szín (vagy szürkeintenzitás) értékek száma (bit) (De: a szín nem feltétlenül valódi színnek felel meg; pl. AFM, CT, MRI) Hisztogram: A képben előforduló, pixelekhez rendelt színek (intenzitások) relatív gyakorisága n Σn = teljes kép mérete pixelekben Digitális képfeldolgozási technikák I. Kontraszt manipuláció A. Kontraszt transzfer függvény: a pixel denzitás értéke és a megjelenített szín közötti hozzárendelést írja le Kontraszt manipuláció B. Hisztogram kiegyenlítés ( histogram equalization ) Cél: a rendelkezésre álló intenzitástartomány lehető legteljesebb kihasználása a kontraszt transzfer függvény a kép kumulatív hisztogramja

5 simító kernel Digitális képfeldolgozási technikák II. Konvolúció Két függvény (digitális kép és kernel) közötti különleges transzformáció; kernel művelet * P x,y = + m W i,j P x +i,y+ j i, j = m +m W i, j i, j = m simító konvolúció P=eredeti pixel intenzitás érték x,y=azon pixel koordinátái, amelyen a mûveletet végezzük P*=módosult pixel intenzitás érték ±m=a kernel mérete (x,y koordinátától mért távolság) W=a kernel "súly értéke" egy adott, i,j ponton i,j=a kernelen belüli koordináták (egész számok -m és +m között) Digitális képfeldolgozási technikák II. Konvolúció eredeti kép élesítés (sharpen) Gauss (simítás) él detektálás Különböző kernelek Gauss Digitális képfeldolgozási technikák III. Rang műveletek Elv: a pixel értéket kicseréljük a kernel által definiált környezetben található valamely, rangsor alapján kiválasztott, pixel értékre (pl. min, max, medián) Geometriai transzformáció Alapprobléma: 2D kép 3D objektumról Zajeltávolítás medián szűréssel: 3x3 medián szűrő

6 IV. Fourier transzformáció Fourier elv: Bármely függvény előállítható egy szinuszfüggvény és felharmonikusai összegeként. Fourier transzform -> spektrális sűrűség: adott frekvenciakomponens járulékát adja meg. Küszöbölés, szegmentáció Lényege: Bizonyos szempontok alapján területekre osztjuk a képet. Eredeti kép FFT Megvalósítása: 1. Kiválasztjuk a kép egy bizonyos szürkeintenzitás tartományát 2. az ebbe a tartományba eső pixelek alkotják az előteret ("foreground ) 3. a többi pixel alkotja a hátteret ("background ) bináris kép Inverz FFT Maszkírozott FFT 3D képanalízis Műveletek bináris képeken III. Szkeletonizáció, körvonalazás Erózió és dilatáció bizonyos szabályok betartásával voxel: térfogatelem pixel: felületelem, elemi képpont Kép Eredeti kép Bináris kép Szkeletonizált kép Körvonalazott kép Térbeli projekció ( volume rendering ) Orvosi diagnosztikában használt képi formátum: DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine)

7 A röntgensugárzás elektromágneses sugárzás II. Röntgensugárzás alapú képalkotás Hullámhossz: ~3 futballpálya Hullámhossz: ~3 m Hullámhossz: ~3 cm Hullámhossz: nm Hullámhossz: ~30 H-atom átmérő Hullámhossz nm. Frekvencia 30x x10 18 Hz. Energia 120 ev kev. A röntgensugárzás keltése A röntgensugárzás keletkezési mechanizmusai Primér elektron Primér elektron X- sugarak Karakterisztikus sugárzás Ifűtő Folytonos sugárzás Ufűtő Maximális fotonenergia (ε max): eu anód = ε max = hf max Szórt elektron Szórt elektronok Forgóanódos röntgencső Határhullámhossz (Duane-Hunt-törvény): λ min = hc e 1 U anód h =Planck állandó c = fénysebesség e = elektron töltése Fékezési sugárzás Karakterisztikus sugárzás

8 A röntgensugárzás spektrális tulajdonságai Fékezési sugárzás Karakterisztikus sugárzás A röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal: abszorpció Fotonenergia (kev) Fotonenergia (kev) x Exponenciális sugárgyengítési törvény J Relatív intenzitás Relatív intenzitás Belépő intenzitás J0 abszorbens Kilépő intenzitás J J0 J = J 0 e μx x μ = μ m ρ Hullámhossz (pm) Folytonos spektrum Hullámhossz (pm) Vonalas spektrum μ = gyengítési együttható μ m = tömeggyengítési együttható (cm 2 /g) ρ = sűrűség (g/cm 3 ) Röntgen fotoeffektus A fotoeffektus függ a fotonenergiától és a rendszámtól Kilépő elektron (további röntgen foton keltésében vehet részt) A diagnosztikai röntgenben fellépő legfontosabb hatás τ m = const Z 3 ε 3 = C λ3 Z 3 C = 5,5-6,5 cm 2 /g nm 3 Többkomponensű rendszerben: effektív rendszám (Z eff) Beeső röntgen foton (hf) Fotoeffektus gyengítési együttható: τ = τ m ρ τ m=fotoeffektus tömeggyengítési együttható ρ=sűrűség Z eff = 3 3 w i Z i n i=1 ε=fotonenergia Z=rendszám w=móltört n=komponensek száma Közeg Zeff Levegő 7.3 Víz 7.7 Lágy szövet 7.4 Csontszövet 13.8

9 Compton szórás Párkeltés Diagnosztikában használt energiáknál elenyésző beeső foton párkeltés Arthur Holly Compton ( ) Energiamérleg: hf = 2m e c 2 + 2E kin Energiamérleg: me=elektron tömege c=fénysebesség hf = A + hf scatt + E kin A=kötési energia hfscatt=szórt foton energiája Ekin=Compton-elektron mozgási energiája Compton-effektus gyengítési együttható: σ = σ m ρ beeső foton Párkeltés gyengítési együttható: κ = κ m ρ A párkeltés a nagyenergiájú (terápiás) röntgensugárzás és a γ- sugárzás esetében jelentős. Sugárcsillapítási mechanizmusok Sugárgyengítési mechanizmusok Fotonenergia és közeg hatása Ólom Víz (lágyrészek) Mechanizmus μ m változása fotonenergiával (ε) μ m változása a rendszámmal (Z) Releváns fotonenergiatartomány lágyszövetben fotoeffektus ~1 / ε 3 ~Z kev Comptonszórás párkeltés ε növelésével lassan csökken ε növelésével lassan nő ~Z/A 30 kev - 20 (A = tömegszám) MeV ~ Z 2 > 20 MeV μ = τ + σ +κ μ m=tömeggyengítési együttható τ m=fotoefektus tömeggyengítési együttható σm=compton-szórás tömeggyengítési együttható κm=párkeltés tömeggyengítési együttható Diagnosztikai röntgen: 1. lágyrész-csont közötti kontrasztmechanizmus: fotoeffektus (~Z 3 ) 2. lágyrészen belüli kontrasztmechanizmus: Compton-szórás (~ρ)

10 A röntgensugárzás képalkotási alkalmazásai A röntgen képalkotás elve Röntgen sugárforrás Röntgensugárzás Gyengítés (emberi test) Wilhelm Konrad Röntgen ( ) Hand mit Ringen ( Kéz gyűrűvel ): Wilhelm Röntgen első "orvosi" röntgenfelvétele felesége kezéről (1895 december 22). Detektor (film, szenzor, képernyő) A röntgen kép Röntgen kontraszt x1 x2 x3 Belépő intenzitás Kilépő intenzitás J0 abszorbens 1 (μ1) abszorbens 1 (μ2) abszorbens 1 (μ3) J Bélrendszer kontrasztanyaggal feltöltve (pozitív kontraszt) Levegő az agykamrában (negatív kontraszt) J = J 0 e (μ 1x 1 +μ 2 x 2 +μ 3 x ) lg J 0 J = ( μ 1x 1 + μ 2 x 2 + μ 3 x ) lge μn = n-edik abszorbens gyengítési együtthatója xn = n-edik abszorbens vastagsága A röntgenkép szummációs kép. ( röntgen felvétel, radiográfiás kép, röntgenogram ) Kontraszt a térben különböző gyengítési együttható miatt lép fel. Vastagbél (dupla kontraszt) Vékonybél (dupla kontraszt)

11 Röntgen képalkotás javítása Képerősítés Röntgen képalkotás javítása Digital Subtraction Angiography (DSA) Röntgen nyaláb Fotoelektronok Lumineszcens ernyő 2 C-kar Lumineszcens ernyő 1 Fotokatód Elektródák A kép digitalizálására nyílik lehetőség Kép 1 Kép 2 DSA kép natív kontraszt kontraszt-natív Röntgen képalkotás javítása Térbeli információ Röntgen képalkotás javítása: CT Történelem Kétirányú röntgenfelvétel Számszeríjjal elkövetett suicid kísérlet. Kétirányú koponyafelvétel. Röntgen, Hounsfield és Cormack 1967: első CT felvétel 1972: prototípus 1974: első klinikai CT (fej) 1976: egész test CT 1979: Nobel díj 1990: spirál CT 1992: multislice 2006: 64 szelet (és egyre több ) napjainkban egyre terjed, M.o.-n is hozzáférhető: PET-CT, Dual-source CT Godfrey Hounsfield Siretom fej szkenner (1974) Allan Cormack 128x128 pixel felbontású kép (1975)

12 CT szkenner prototípus CT alapok I forrás detektor A legelső CT szkenner prototípusa. Feltalálója Godfrey Hounsfield, EMI. CT alapok II Pásztázás I μ x : lineáris gyengítési együttható I. generáció Egyetlen mozgó forrás Egyetlen mozgó detektor II. generáció Egyetlen mozgó forrás Keskeny legyező alakú nyaláb Több mozgó detektor

13 Pásztázás II Spirál (helikális) CT Sugárforrás-detektorsor pár állandóan forog Hagyományos CT képszelet Spirál CT képszelet III-IV. generáció: egyetlen mozgó forrás, széles legyező alakú nyaláb, több detektor vagy detektor gyűrű zárt mérőüreg nyitott mérőüreg Multi-detector CT (MDCT) Multi-slice CT (MSCT) CT CT szkenner működés Rtg sugárzást használó digitális rétegvizsgálat A képalkotás alapja a rtg sugár elnyelés különbségeinek ábrázolása a vizsgált síkban Hagyományos (elavult) technika: egy szelet 2-4 sec, teljes vizsgálat: 5-15 perc Spirál CT technika: egy szelet sec, vizsgálati idő: sec (+ előkészítés) Multidetektoros spirál CT (4-64 detektorsor): egy szelet sec, vizsgálati idő: 5-15 sec D: detektorok R: rotáció T: röntgencső X: röntgen rugárnyaláb

14 CT Képrekonstrukció CT kép: Denzitás mátrix 1. Algebrai rekonstrukciós technikák 2. Közvetlen Fourier rekonstrukció 3. Filtered Back Projection N CT =1000 μ μ w μ w μ: a voxel gyengítési együtthatója μ w : a víz gyengítési együtthatója Sűrűség ( CT szám ): Hounsfield egység CT kép: 4000 detektor 1000 projekció 512x512 mátrix 16 bit színmélység A CT kontraszt manipulálása Ablakozás A CT kontraszt manipulálása Ablakozás Ugyanazon felvételek eltérő ablakolással A kontraszt transzfer függvény változtatása Eredmény: lokális kontrasztnövekedés Lágyrész ablak Tüdő ablak Agyszöveti ablak Csontablak

15 A CT korlátai Ionizáló sugárzás hagyományos rtg felvétel dózisának akár szorosa! direkt sugár expozíció + szórt sugárzás (egy-két nagyságrenddel kisebb) HRCT (High Resolution, nagyfelbontású CT) Nagyon finom, vékony szeletek (1-2 mm), nagyon jó kontrasztfelbontással. Nagy kontrasztkülönbségeknel (csontok, tüdő). Adatfeldolgozás: dedikált algoritmusokkal Dual Source CT két röntgenforrás és két detektor egyidejű alkalmazása a két cső egymásra merőlegesen helyezkedik el, egymással szinkron gyűjtik a detektorok az információt két különböző üzemmódban működhet dual source alkalmazásban mindkét röntgencső azonos kv értékkel dolgozik axiális szelet adatgyűjtéséhez 90 -os elfordulásuk szükséges dual energy üzemmódban a két csőfeszültség 80 és 140 kv, a két cső 180 -ot fordul egy harántmetszet elkészítéséhez az eltérő energiájú röntgensugarak elnyelődése más és más lesz két, eltérő információtartalmú adatsor jön létre Cone beam CT Cone-beam computed tomography (CBCT), C-arm CT, cone beam volume CT, flat panel CT Kúp alakban széttérülő rtg sugárnyaláb Volumetriás adathalmazt szolgáltat; digitális képrekonstrukciót igényel Fogászati, intervenviós radiológiai, radioterápiás alkalmazások Sugárforrás Kúp alakú sugárnyaláb Forgástengely Detektor

16 CT (röntgen) kontrasztanyag Vízoldékony, jódot tartalmazó makromolekula, mely akkumulációjának helyén megnöveli a röntgensugár elnyelést, ezáltal denzitás emelkedést okoz Ionos elavult (90-es évek eleje óta nem használatos) Nem-ionos (monomer, vagy dimer alacsony ozmolalitású) A vesében glomerulárisan filtrálódik és kiválasztása azonnal megkezdődik (nefrotróp) Alkalmazások: minden rtg alapú képalkotó vizsgálat Az erek ábrázolása CT-vel: CT angiográfia Nativ CT (??): kóros érfali meszesedés esetén I.v. kontrasztanyagos CT: hagyományos technika - aorta (d > 1 cm) Spirál CT-angiográfia: Egy detektorsoros spirál CT - aorta ágai (d > 2-3 mm) Multidetektoros spirál CT - perifériás erek (d > 1 mm) Arteria renalis aneurysma CTA 8 detektorsoros spirál CT-vel Koronária CT-angiográfia (CTCA) 64 szeletes MDCT-vel

17 NanoSPECT/CT NanoSPECT/CT Tl-201 Dual-channel SPECT CT: 36 μm voxelméret Valós-idejű CT rekonstrukció (GPU) 99m Tc-DTPA: diethylenetriaminepentaacetic (BBB) - kék/vörös) 99m Tc-HMPAO: hexamethylpropyleneamine oxime (perfúzió) - kék/vörös) 201 Tl-DDC: diethylthiocarbamate (perfúzió) - zöld Boa constrictor Osteomyelitis, 99m Tc-MDP (methylenediphosphonate)