Képalkotás modellezése, metrikái. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Hasonló dokumentumok
Képalkotás modellezése, metrikái. Orvosi képdiagnosztika 6. ea ősz

Jelfeldolgozás bevezető. Témalaboratórium

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

Képalkotó diagnosztikai eljárások:

Ellenőrző kérdések a Jelanalízis és Jelfeldolgozás témakörökhöz

Dekonvolúció a mikroszkópiában. Barna László MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet Nikon-KOKI képalkotó Központ

Képrekonstrukció 3. előadás

Irányítástechnika 2. előadás

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

Villamosságtan szigorlati tételek

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 7-8. ea ősz

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 6-8. ea ősz

Digitális jelfeldolgozás

DINAMIKAI VIZSGÁLAT OPERÁTOROS TARTOMÁNYBAN Dr. Aradi Petra, Dr. Niedermayer Péter: Rendszertechnika segédlet 1

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Jelfeldolgozás - ANTAL Margit. impulzusválasz. tulajdonságai. Rendszerek. ANTAL Margit. Sapientia - Erdélyi Magyar Tudományegyetem

Híradástechikai jelfeldolgozás

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 3. MÉRÉSFELDOLGOZÁS

Wavelet transzformáció

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Z v 1 (t)v 2 (t τ)dt. R 12 (τ) = 1 R 12 (τ) = lim T T. ill. periódikus jelekre:

ADAT- ÉS INFORMÁCIÓFELDOLGOZÁS

Jelek és rendszerek MEMO_03. Pletl. Belépő jelek. Jelek deriváltja MEMO_03

7. Előadás tartalma. Lineáris szűrők: Inverz probléma dekonvolúció: Klasszikus szűrők súly és átviteli függvénye Gibbs jelenség

Jelek és rendszerek - 4.előadás

Képfeldolgozó eljárások áttekintés. Orvosi képdiagnosztika

Az Orvosi Fizika Szigorlat menete a 2012/2. tanévtől

Digitális jelfeldolgozás

Pontműveletek. Sergyán Szabolcs Óbudai Egyetem Neumann János Informatikai Kar február 20.

Jelfeldolgozás. Gyakorlat: A tantermi gyakorlatokon való részvétel kötelező! Kollokvium: csak gyakorlati jeggyel!

Digitális képek szegmentálása. 5. Textúra. Kató Zoltán.

1. Képalkotás. Kató Zoltán. Képfeldolgozás és Számítógépes Grafika tanszék SZTE (

Mintavétel: szorzás az idő tartományban

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

MRI áttekintés. Orvosi képdiagnosztika 3. ea ősz

Hadházi Dániel.

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

FODOR GYÖRGY JELEK ÉS RENDSZEREK

Ha sokáig mérünk: kiátlagoljuk a jelet Milyen lesz ez a súlyfüggvény? T idejű integrálás + delta függvény T ideig integrálva:

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

4. Szűrés frekvenciatérben

Fehérzajhoz a konstans érték kell - megoldás a digitális szűrő Összegezési súlyok sin x/x szerint (ez akár analóg is lehet!!!)

3. Szűrés képtérben. Kató Zoltán. Képfeldolgozás és Számítógépes Grafika tanszék SZTE (

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Abszorpciós spektroszkópia

2. témakör. Sztochasztikus, stacionárius és ergodikus jelek leírása idő és frekvenciatartományban

Orvosi képdiagnosztika

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

Shift regiszter + XOR kapu: 2 n állapot

Rugózott vezetőülés vizsgálata

Idő-frekvencia transzformációk waveletek

Digitális képek. Zaj és tömörítés

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Mérés és adatgyűjtés

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Objektív beszédminősítés

Mechatronika alapjai órai jegyzet

7. Moduláció átviteli függvény mérése

Elektronika Előadás. Digitális-analóg és analóg-digitális átalakítók

Számítógépes gyakorlat MATLAB, Control System Toolbox

M N. a. Spin = saját impulzus momentum vektor: L L nagysága:

Számítógépes gyakorlat Irányítási rendszerek szintézise

Az ipari komputer tomográfia vizsgálati lehetőségei

Gauss-Jordan módszer Legkisebb négyzetek módszere, egyenes LNM, polinom LNM, függvény. Lineáris algebra numerikus módszerei

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

1. témakör. A hírközlés célja, általános modellje A jelek osztályozása Periodikus jelek leírása időtartományban

ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK. Váltakozóáramú hálózatok

Számítógép-vezérelt szabályozás- és irányításelmélet

Digitális jelfeldolgozás

X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

MECHATRONIKA Mechatronika alapképzési szak (BSc) záróvizsga kérdései. (Javítás dátuma: )

Funkcionális konnektivitás vizsgálata fmri adatok alapján

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

Képfeldolgozó eljárások áttekintés. Orvosi képdiagnosztika 9. ea ősz

Abszolút és relatív aktivitás mérése

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 5. A JELFELDOLGOZÁS ALAPJAI: JELEK

DIGITÁLIS KÉPANALÍZIS KÉSZÍTETTE: KISS ALEXANDRA ELÉRHETŐSÉG:

Képrestauráció Képhelyreállítás

Mérés és adatgyűjtés

Mérési struktúrák

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

A Föld középpontja felé szabadon eső test sebessége növekszik, azaz, a

Elhangzott tananyag óránkénti bontásban

Teremakusztikai méréstechnika

Képalkotó diagnosztikai eljárások:

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

STATISZTIKAI PROBLÉMÁK A

2. Elméleti összefoglaló

Inverz Laplace-transzformáció. Vajda István március 4.

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK II. 5. DC MOTOROK SZABÁLYOZÁS FORDULATSZÁM- SZABÁLYOZÁS

Gibbs-jelenség viselkedésének vizsgálata egyszer négyszögjel esetén

Differenciálszámítás. 8. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Differenciálszámítás p. 1/1

Gépi tanulás a gyakorlatban. Lineáris regresszió

Átírás:

Képalkotás modellezése, metrikái Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Jelölésjegyzék Rendszer válasza f gerjesztésre: Dirac-delta: x ; egységugrás: 0 idejű Dirac-delta gerjesztése a rendszer válasza: h x x : h x, x Konvolúció: g Fourier transzformáltja: G FT g g spektruma: G g sávszélessége: bwg X eloszlás várható értéke: X, szórása: std X 2 Szürkeárnyalatos képet leíró leképezés: I : R R Elemenkénti átlagolás: S f x h x, x0 LTI esetben: 0 0 1 x i 1: M I x, y 1 M I x, y i

Tartalom Elméleti áttekintés lineáris rendszerek: LTI rendszerek leírása konvolúciós integrál Rendszer identifikáció Folytonos idejű Fourier transzformáció Képalkotás mérése lineáris rendszerekkel: Point Spread Function, Modulation Transfer Function, Noise Power Spectra, SNR, CNR NEQ, DQE

Lineáris rendszerek Komplex, fizikai rendszerek sosem lineárisak Linearizálás nélkül kezelhetetlenül bonyolultak Leginkább sztochasztikus folyamatok Lin. rendszerként várható értékük jellemezhető Lineáris rendszerek jellemzői Rendszer: S : A B Lineáris: S a f b g a S f b S g a, b R f, g : C A

Lineáris rendszerek vizsgálata Eltolás-invariáns (idő invariáns) rendszer: S f x x y x S f y Dirac impulzus: 0 0 2 1 x x lim exp 0 2 2 2 Impulzusválasz: h x, x S y x x Eltolás-invariáns rendszernél: 0 0 LTI rendszereket egyértelműen leírja h x, x h x x 0 0 h x

LTI rendszerek válasza (konvolúciós integrál) Közelítsük infinitezimális téglákkal f-et: S f x yˆ x : f j x hx, j x x Ha Közelítő modell helyességének feltételei: f folytonos h x, y is folytonos függvénye y -nak x 1 eltolás invariáns: Tömörebben: j S S f x lim yˆ x f x ' hx x ' dx ' x0 x ' y x : S f x f h x

LTI rendszerek válasza (konvolúciós integrál) + + :

LTI rendszerek válasza (konvolúciós integrál)

LTI rendszerek Impulzusválasz ( h) egyéb elnevezései: Súlyfüggvény Gerjesztés Válasz függvény Képalkotó rendszereknél: Point Spread Function Fizikai képalkotó rendszerek sajátosságai: Rögzített képek (projekciók, stb.): y h x 3 2 Általában x : R R, y : R R a képalkotás, és a fizikai foton interakciók függvénye

Egyszerű rendszerek impulzusválasza Arányos tag: (szemléltetés) Integráló tag: Diffrenciáló tag: Holtidős tag:

Fourier Transzformáció Folytonos függvények lineáris transzformációja: 2 2 ; f x F e j e j F f x x dx x d Euler formula: exp j 2 x cos 2 x j sin 2 x LTI rendszerek vizsgálata Fourier tartományban: ' x ' Konvolúció tétel: j2 xx ' y x h x F e d dx ' 2 ' 2 ' j y x F h x e x dx ' e j x d x ' Y F H

LTI rendszerek konvolúció tétel LTI rendszer sajátfüggvényei az FT bázisfüggvényei (komplex exponenciálisak): frekvenciájú szinuszos jelre adott válasz is frekvenciájú szinuszos jel: LTI

LTI rendszerek átviteli függvény Átviteli függvény: H FT h exp H H j H értelmezése: H rendszer erősítése (1/ tehetetlensége): ~ jel változásának sebessége Fizikailag realizálható rendszerek sávkorlátozottak:, ha bw h H 1 Általában monoton csökkenő függvény (ellenpélda: kondenzátor) H rendszer fázis tolása (késleltetése): FT f x x F exp j 2 x 0 0

LTI rendszerek identifikációja H meghatározása: Egységimpulzus ( x) gerjesztés Egységugrás gerjesztés: h x ds 1 x dx 1 x x ' dx ' Szinuszos vizsgálójellel (LTV-hez is jó lehet): f x A cos 2 x 0 0 cos2 y x A A x H x 0 0 exp A j sign? esetén

LTI rendszerek identifikációja Multiszinuszos vizsgálójel (LTV rendszerekhez is): f x A cos2 i i x i i y x H i Fourier Sorfejtése megadja értékeit S Fehér zajjal: Bemeneti zaj: teljesítménysűrűség spektruma egyenletes Kimeneti zaj: teljesítménysűrűség spektruma H 2

Képalkotó rendszerek jellemzése Képalkotás általános modellje: Lineáris rendszer: Lineáris rendszerek GV vizsgálat Ideális gerjesztés: dirac-delta Közelítése: pontszerű gerjesztés A gerjesztés is GV válasza egy lineáris rendszernek ( ) Közvetlenül a ( h*l ) rendszert vizsgáljuk l,,

Point Spread Function Általános modell (konv. integrál)- a gerjesztés képét elmosás és additív zaj degradálja: g x, y h x, y;, f, d dd x, y,, 0 f,, : gerjesztés (vizsgált objektum) xy, : additív zaj h x, y;,, : rendszer súlyfüggvénye PSF-je Inverz probléma később részletesen tárgyaljuk

Point Spread Function (2D 2D eset) Nem szükségszerűen izotropikus: Fényképezőgépek / mikroszkópok inhomogén lencsék okozzák az anizotróp PSF-et PA röntgen, CT, DTS esetén tipikusan anizotróp MRI esetén felvételi paraméterek függvénye Nem szükségszerűen shift invariáns: Jelentősen nagyobb probléma Közelítés shift invariáns rendszerekkel: Alapelv: PSF folytonos függvény Isoplanatic régiók

Point Spread Function (2D 2D eset) 2D 2D: az ideális képalkotással keletkező és a rögzített kép közötti rendszer Nem szükségszerűen izotropikus: Fényképezőgépek / mikroszkópok inhomogén lencsék okozzák az anizotróp PSF-et PA röntgen, CT, DTS esetén tipikusan anizotróp MRI esetén felvételi paraméterek függvénye Nem szükségszerűen shift invariáns: Jelentősen nagyobb probléma Közelítés shift invariáns rendszerekkel: Alapelv: PSF folytonos függvény Isoplanatic régiók Az időinvariancia elnevezése képeket bemenetként kezelő 2D rendszer esetén.

Modulation Transfer Function (modulációs átviteli függvény) Tételezzük fel, hogy a PSF pozíció független Ekkor a PSF spektrumát érdemes vizsgálni: TF (átviteli függvény): Elterjedt még az OTF / MTF felbontás is: H Optical Transfer Function: Modulation Transfer Function: F h Effektív felbontás (zaj nélkül): Képalkotásban 0.5-ös MTF érték határozza meg HH 0,0 HH bwh 0,0

Röntgen detektor MTF példák

MTF mérése MTF definiálásánál LTI modellt használtunk: Expected MTF: célja az alul-mintavételezés hatására keletkező moire hatásait degradálni Gyakori megvalósításai: Vonalpár fantom: MTF származtatható belőle Rés módszer: magas frekvencián pontosabb Él módszer: alacsony frekvencián pontosabb Általában egy irány mentén mérhető: Ami a fantom elhelyezésétől függ

MTF mérése vonalpár fantomok Catphan 500 FBP-vel rekonstruált axiális szelet

MTF mérése vonalpár fantom Digitális fényképezőgépekhez készült fantom:

MTF mérése: él módszer - A fantom éle a pixelek oszlopaival kis, de >0 szöget zár be. - Így lehetőség nyílik az él felül-mintavételezésére, korrigálható az alulmintavételezési probléma. - Az élre merőleges derivált adja meg a PSF-et.

MTF PSF közötti kapcsolat

MTF szerinti minősítés

Signal to Noise Ratio (jel / zaj viszony) Általános jelfeldolgozásban: Általában additív zaj Képalkotó rendszerek esete: f homogén objektum legyen SNR 10log P P 20log A A db x,y 10 signal noise 10 signal noise N N a homogén objektum képének kiterjedése, fontos, hogy elegendően nagy legyen Több felvételből is mérhető x, y x, y SNR I std I x,y N

Contrast to Noise Ratio (kontraszt / zaj viszony) Kontraszt önmagában nem jó minősítő: Gyakran főleg a zaj generálja Objektumok elkülönítését javítja a jobb kontraszt, de degradálja a nagyobb zaj CNRA, B CA, B N I x, y I x, y std I x, y x,y A A,B a két elkülöníteni kívánt objektum képe N azon régió, melyből becsülhető a képzaj: Ennek konkrét megválasztása esetfüggő Alkalmazása (mint metrika) főleg orvosi körben elterjedt x,y B x,y N

CNR mérése CT esetén - Fontos, hogy nem tételez fel lineáris képalkotást! - Szeleten belüli felbontás vs. sugárdózis optimalizáció - Nemlineáris rekonstrukciók minősítése Catphan 600

Röntgen kvantum jellemzői Kvantum: fotonok száma Fotonok eloszlása: Érzékelő felületén/ időben nem egyenletes Sugárzás inherens zaját ez a jelenség generálja Ergodikus eloszlással írható le Véletlen Poisson Folyamat: Q várható érték esetén Q szórás Ideális képalkotó rendszer: Plusz zajt nem generál ( SNR SNR ) out in

Noise Power Spectrum (zaj teljesítmény spektrum) A képzaj energiája frekvenciafüggő: NPS definíciója folytonos jel esetén: 1 1: M NPS lim F I I Nx, Ny, M X Y Diszkrét esetben: x y 1: M NPS lim F I I Nx, Ny, M Nx Ny x, y N, N 2 2 : detektor pixeleinek x és y irányú kiterjedése : detektor x és y irányú logikai felbontása x y (pixeleinek a száma) X x N, Y y N detektor fizikai mérete x y

Noise Power Spectrum (zaj teljesítmény spektrum) A képzaj energiája frekvenciafüggő:, exp2 f x y j ux vy dydx xy, NPS definíciója folytonos jel esetén: 1 1: M NPS lim F I I Nx, Ny, M X Y Diszkrét esetben: x y 1: M NPS lim F I I Nx, Ny, M Nx Ny x, y f m, nexp2 j u m M v n N N, N mn, 2 2 : detektor pixeleinek x és y irányú kiterjedése : detektor x és y irányú logikai felbontása x y (pixeleinek a száma) X x N, Y y N detektor fizikai mérete x y

Normalized NPS: Noise Equivalent Quanta (zaj ekvivalens kvantum) Kompenzálja a rendszer erősítését ~ Mi a detektor válasza olyan helyen, melybe Q foton érkezik (kvázi a rendszer erősítése) Noise Equivalent Quanta: Mennyi foton lenne szükséges ugyanazon képminőség eléréséhez, ha ideális lenne a képalkotás NNPS u, v NPS u, v A A 2 NEQ u, v MTF u, v NNPS u, v SNR u, v 2 2

Detective Quantum Efficiency (detektálási kvantumhatékonyság) Eddigi metrikáknál nem vizsgáltuk a dózistól / fotonok számától való függést: DQE u, v NEQ u, v Q Q a vizsgált detektort elérő kvantum (fotonok száma, definiálható így is a dózis) Fontos interpretáció: 2 2 DQE u, v SNR u, v SNR u, v SNR in u, v in : érzékelőelemre belépő jel (pl. röntgensugár, fotonok) SNR je A kész rendszer információ átvitelének hatékonyságát méri, értéke 0 és 1 között változik.

DQE számolási példák -1- Adott egy röntgen detektor, melyet az alábbi rendszer ír le: Egy ideális detektor és egy csillapító réteg soros kaszkádja (pl. CsI szcintillátor), a csillapító réteg nem változtatja az átmenő sugárzás eloszlásának típusát. A szcintillátor a felületét elérő röntgen fotonok ¼- éből generál látható fotont, plusz zajt nem generál. Q=5000 röntgen foton/ pixel éri a teljes rendszert. NEQ=? DQE=? SNRin=? SNR=?

DQE számolási példák -2- Adott egy röntgen detektor, mely: Ideális detektor, és zajos A/D átalakító soros kaszkádja, mely zaja ekvivalens 50 foton/pixel-el a belépő sugárzás fluxusában (inherens zaj). A kiolvasási zaj és a detektort érő fotonok zaja Poisson eloszlású, egymással korrelálatlan. Q=10000 foton/pixel éri a detektor felületét. NEQ=? DQE=? SNRin=? SNR=? Jó közelítéssel ez a két zajforrás aggregálódik (Hf. az aggregált rendszer metrikái).

Röntgen detektor kvantum modellje

És mi a valóság? Gyakorlatban integráló típusú detektorok: Detektorok erősen érzékenyek a becsapódó fotonok energiájára: Kisebb energiájú fotonok esetén kevésbé érzékenyek Gyakorlatban van egy minimum energiaküszöb Az eddig tárgyalt elmélet erősen egyszerűsít Ezen alapszik az integráló detektorok modellezése is, de az jóval bonyolultabb (ritkán használják, főleg szimulációra) DE nincs ennél jobb általános modell Vagy a nagy számok törvényére hivatkozva minden zajt Gauss zajnak feltételeznek, mely még kevésbé adekvát.