Datorer i bilddiagnostik (CT)
Vetenskapsmetodik CDT212
Mälardalens Högskola
2007-10-08
Datorer i bilddiagnostik (CT)
(Vetenskapsmetodik - CDT212)
Per-Henrik Lam
SPEL/NCV02
[email protected]
William Dahlberg
SPEL/NCV02
[email protected]
1
Datorer i bilddiagnostik (CT)
Vetenskapsmetodik CDT212
Mälardalens Högskola
2007-10-08
SAMMANFATTNING
I den här rapporten förklarar vi övergripligt vad datortomografi är. Vi börjar med att beskriva
datortomografins uppkomst och utveckling, från den traditionella röntgentekniken till
datortomografins första maskin. Vi fortsätter med att förklara hur tekniken fungerar, både
maskinen och mjukvaran som genererar bilderna.
Det finns några olika typer av CT-maskiner som har utvecklats sedan tekniken kom. Vi tar
upp de vanligaste. Maskinerna som används är en så kallad datortomografiscanner. Scannern
är den maskin som tar bilder av patienten/objektet genom att skicka ut en röntgenstråle och
läsa av styrkan när den har passerat vävnaden. Sedan skickas informationen från maskinen till
en dator som med hjälp av avancerade algoritmer kan konstruera en bild.
En vanlig metod för att rendera 3D-bilder av scanningen som kallas volymrendering förklaras.
Vi beskriver även vilka användningsområden som finns, både inom läkarvården och andra
områden. Vi avslutar med att gå igenom hur tekniken tros utvecklas i framtiden.
2
Datorer i bilddiagnostik (CT)
Vetenskapsmetodik CDT212
Mälardalens Högskola
2007-10-08
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
INLEDNING .............................................................................................................................. 4
DATORER I BILDDIAGNOSTIK (CT) ................................................................................... 4
Historia ................................................................................................................................... 4
Hur fungerar CT? ................................................................................................................... 4
Från data till bild ................................................................................................................ 5
Volymrendering.................................................................................................................. 6
Användningsområden ............................................................................................................. 7
Mycket annat .................................................................... Error! Bookmark not defined.
Framtiden ............................................................................................................................... 8
SLUTSATS ................................................................................................................................ 8
REFERENSER ........................................................................................................................... 8
3
Datorer i bilddiagnostik (CT)
Vetenskapsmetodik CDT212
Mälardalens Högskola
2007-10-08
INLEDNING
Datortomografi eller CT (Computerised Tomography) har sedan dess uppkomst varit en
väldigt viktig del av diagnostik inom läkarvården och andra områden som till exempel
arkeologi. Innan CT-tekniken kom kunde man bara ta bilder av organ i kroppen med vanliga
röntgenbilder. Med traditionell röntgen får man information från hela volymen samtidigt, det
vill säga från allt som absorberar röntgenstrålning. Fördelen med CT över klassisk röntgen är
att det går att välja ut ett speciellt skikt i kroppen som ska scannas. Denna fördel gör CT
överlägset när det gäller att få en detaljerad bild av ett visst område i kroppen. Men hur
uppstod den här tekniken? Och hur fungerar den?
DATORER I BILDDIAGNOSTIK (CT)
Historia
Innan Wilhelm Conrad Röntgen uppfann röntgenstrålningen 1895 fanns det bara ett sätt att
observera hjärnan, och det var att operera och ta bort skallbenet. När röntgenstrålningen kom
blev allt lättare. Den kunde egentligen inte ta bra bilder på hjärnan, då den har för mjuk
vävnad. Det gick däremot att få bättre resultat genom att höja kontrasten på bilden. För att
göra detta, krävdes att man sög ut en del av hjärn-ryggmärgsvätskan runt hjärnan och ersatte
sedan den med syre eller helium. Detta gav bättre kontrast på bilden men var mycket
smärtsamt och farligt för patienten. Så fort bättre teknik blev tillgänglig försvann den metoden
[1].
Under året 1967 fick ingenjören Godfrey Hounsfield på "Thorn EMI Central Research
Laboratories" en idé om en vidareutveckling av röntgentekniken. Idén som skulle bli
datortomografiscannern offentliggjordes dock inte förrän 1972. Skivbolaget EMI fick så stora
intäkter från Beatles framgång att de satsade mycket pengar på forskning. Detta gav resurser
till utvecklingen av CT. Fysikern Allan McLeod Cormack från Tufts University forskade även
han inom samma område och vann tillsammans med Hounsfield Nobelpriset för medicin år
1979.
Den första prototypen av scannern tog 160 parallella bilder genom att rotera strålen 180 grader
runt kroppen per bild. Varje scanning tog drygt fem minuter och bilderna tog två timmar och
30 minuter att ritas upp med hjälp av en kraftfull dator.
Den första färdiga produkten av CT-scannern som kallades EMI-Scanner (uppkallad efter
skivbolaget EMI) var begränsad till hjärnscanning. Den introducerades 1972 och installerades
hos Atkinson Morley's sjukhus i London. Scanningen av två skikt tog fyra minuter och
bildgenereringen tog runt sju minuter med hjälp av datorn "Data General Nova". Denna
scanner krävde användning av en vattenfylld tank med gummiformad front som omsluter
patientens huvud. Tankens uppgift var att minska strålningen mellan detektorerna utanför
huvudet och genom skallen. Bilderna som skapades hade en upplösning på 80x80 pixlar,
vilket är en relativt låg upplösning [2].
Hur fungerar CT?
CT använder röntgenstrålning för att framställa bilder av en människas inre organ. Maskinen
är cylinderformad med röntgensensorer placerade runtom på insidan. Patienten eller det objekt
som ska scannas placeras på ett bord i mitten av maskinen och strålas sedan med
4
Datorer i bilddiagnostik (CT)
Vetenskapsmetodik CDT212
Mälardalens Högskola
2007-10-08
röntgenstrålning från olika vinklar [se figur 1]. Beroende på densiteten på vävnaden som
strålningen passerar försvagas den olika mycket; data om densiteten beräknas genom att
sensorerna som tar emot strålningen registrerar strålningens intensitet. Utifrån dessa data kan
ett datorprogram sedan generera skiktbilder i 2D där olika nyanser anges beroende på
vävnadens densitet. Genom att låta patienten flyttas med jämna mellanrum och hämta data i
varje steg går det även att framställa 3-dimensionella modeller för att få en bättre blick över en
komplex struktur.
Tekniken har hela tiden förfinats sedan den uppfanns. Sedan 80-talet har man använt en teknik
som kallas spiralscanning. Istället för att hämta skiktdata sekventiellt och justera förhållandet
mellan objektet och röntgenstrålen efter varje skikt, kan man låta strålen rotera kontinuerligt
samtidigt som bordet förflyttas mekaniskt med en jämn hastighet. Då får man istället en ström
av data som bildar en volym. Fördelen med spiralscanning är att det går snabbare och därmed
minskar risken för felaktigheter orsakade av rörelser. Patienten blir dessutom utsatt för lägre
dos strålning. För att snabba upp processen ytterligare använder man flera rader med
strålningsdetektorer. Man kan då generera flera skikt per varv [3].
Figur 1: Strålningens intensitet från olika vinklar runt kroppen registreras av detektorer.
Från data till bild
När röntgenstrålen har gått ett varv och intensitetsdata har samlats in används en avancerad
algoritm för att bestämma densiteten i varje punkt i skiktet. Densitetsvärdena för varje skikt
lagras i en datastruktur med en upplösning på upp till 1024x1024 voxlar (volymelement).
Utifrån dessa data konstrueras en bitmap där olika densitet får olika gråskalevärden - ljus
nyans för hög densitet som ben och mörkare nyans för vävnad med lägre densitet som
5
Datorer i bilddiagnostik (CT)
Vetenskapsmetodik CDT212
Mälardalens Högskola
2007-10-08
muskulatur [se figur 2]. När nyansen för en viss pixel bestäms används densiteten för vatten
som referenspunkt. Enheten som används är HU (Hounsfield Units) där vatten har 0. Värdena
brukar sträcka sig mellan -1000 och 1000 och representerar en gråskala där -1000 är svart och
1000 är vitt.
CT-värdena som de kallas har alltså 2000 möjliga värden. En vanlig dator kan inte visa så
många gråskalenyanser, dessutom kan inte det mänskliga ögat urskilja alla nyanser. Därför
väljer man ut en del av spektrumet när bilden ska ritas upp. Man använder då två termer WL
(Window Level) och WW (Window Width). WL bestämmer vilket HU-värde som ska ligga i
centrum av spektrumet, WW anger vilka HU-värden som är av intresse - HU värden som
ligger utanför fönstret blir antingen helt vita eller helt svarta. På detta sätt kan man justera
kontrasten i bilden och välja ut vilken typ av vävnad som ska synas. Ibland väljer man att ge
olika densitetsomfång olika färger för att framhäva vissa områden på ett tydligare sätt [3].
Figur 2. Exempel på ett CT-skikt.
Volymrendering
Volymrendering är en vanlig teknik för att utifrån en datamängd med diskreta (enskilda)
densitetsvärden rendera en 3D-modell som representerar mängden [se figur 3]. Detta sker
genom att man projicerar volymen på ett plan i rymden som representerar bildens yta.
Datamängden som används är en grupp av CT-skikt. Att rita tredimensionella bilder av
informationen var en naturlig följd i utvecklingen av CT. Istället för att titta på varje skikt för
sig går det att observera all data samtidigt i en 3D värld.
En vanligt förekommande teknik för att rendera volymen kallas ray casting. Idén med ray
casting är att simulera hur ljusstrålar färdas genom de olika typerna av vävnad. Men istället
för att följa alla möjliga strålar från en ljuskälla, tänker man sig ett plan som volymen ska
projiceras på och följer strålar från en punkt som representerar ögat genom planet. Varje stråle
går från ögat, genom planet till något valt maxavstånd. Med jämna avstånd längs strålen
samplas volymens densitetvärde och på så sätt beräknas den slutliga färgen. Detta görs för
varje pixel i bilden som ska ritas. Beroende på vävnadens typ kan man även låta strålarna
brytas, vilket ger ett naturligare utseende om det förekommer vätskor och andra material som
naturligt bryter ljus. Tidigare kunde det ta flera timmar att rendera en animation av en struktur
för att undersöka, men numera har hårdvaran utvecklats såpass mycket att det går att vrida och
vända på modellen i realtid [4, 5]
6
Datorer i bilddiagnostik (CT)
Vetenskapsmetodik CDT212
Mälardalens Högskola
2007-10-08
Figur 3. Två exempel av 3D modeller genererade med volymrendering av CT-data.
Användningsområden
CT används främst inom medicinska undersökningar för att kartlägga och fastställa olika
skador och sjukdomar. Bilderna som genereras kan användas till att fatta beslut om vilken
behandling som ska användas, till exempel medicinering eller strålbehandling. Genom att
skapa en 3D-bild får läkaren information om komplexa problem, hur stora de är och var de
ligger. Informationen som man får är alltså värdefull inför till exempel operationer. Områden
inom kroppen som CT används till är bland annat. buken, huvudet, halsen, bröstkorgen,
skelettet och mjukdelar [6].
Andra områden
CT-tekniken används även inom andra områden som till exempel i arkeologi och
kriminalteknik [7]. Ett exempel där CT används är för att återskapa bilder av mumier utan att
behöva röra dem. Genom att undvika beröring riskerar man inte att skada mumien.
I Toronto 1994 scannades en mumie i en kista med hjälp av CT för att kunna återskapa kistan
och mumien i 3D [8]. Man kunde sedan med hjälp av 3D-modellen och skiktbilderna se
mumien inuti kistan och skala bort lager för lager utan att röra originalet. På så sätt kunde de
undersöka mumien och kistan utan att förstöra dem.
Även flera andra undersökningar av mumier har skett med hjälp av CT och en intressant sådan
gjordes i Waseda University, Tokyo, förra året. Undersökningen gjordes på en mumie kallad
"Senu" som tros vara mer än 3700 år gammal. Målet med undersökningen var att återskapa
mumiens ansikte med muskler och hud. Resultat blev lyckat och kan ses i forskarnas artikel
[9].
Enligt en artikel [10] gjorde ett flertal studenter en 3D-rendering av en julgran med hjälp av
CT. Anledningen till att de gjorde undersökningen var att de ville testa hur effektivt CT är när
det gäller komplexa objekt. Att avbilda ett så komplext objekt som en julgran med andra
7
Datorer i bilddiagnostik (CT)
Vetenskapsmetodik CDT212
Mälardalens Högskola
2007-10-08
tekniker hade tidigare visat sig vara svårt eller omöjligt. De kom fram till att CT var ett
väldigt bra verktyg för att avbilda komplexa och detaljerade objekt.
Framtiden
Under år 1999 hade 20 % av alla maskiner multidetektorer. År 2001 hade siffran ökats till 50
% vilket tyder på att tekniken utvecklas snabbt. Dagens begränsningar inom CT är
känsligheten för rörelser, metaller som förvränger bilden, patientens storlek och att strålningen
är ganska hög i förhållande till informationen man får ut. Det finns dock forskning som är
inriktad på att reducera dessa begränsningar men det kostar mycket pengar. Förändringarna
som måste ske för att göra det effektivare är till exempel att ändra antalet detektorer från 64
rader till 256 rader [11].
En teknik som flera företag jobbar på är CBCT (Cone Beam Computed Tomography). En
scanner som använder den här tekniken scannar inte enstaka skikt, den kan scanna en hel
volym direkt med hjälp av en konformad röntgenstråle. Principen är lik vanlig CT - genom att
rotera strålen runt patienten och registrera strålningsstyrkan med jämna mellanrum kan man
sedan bygga en 3D modell av informationen [12].
Jämförelse med MRI
Det finns även en teknik som kallas MRI (Magnetic Resonace Imaging) och liknar CT.
Resultatet hos MRI är likt CT men tekniken skiljer sig. MRI använder sig av magnetism och
radiovågor istället för röntgen för att generera bilder. Fördelen med MRI jämfört med CT är
att den tar bättre bilder när det gäller mjuka vävnader. Däremot tar MRI sämre bilder än CT
när det gäller skelett [14].
SLUTSATS
CT är idag är en väldigt bra och mycket använd teknik för att ta bilder på patienter och objekt.
År 2001 gjordes 39,6 miljoner CT-skanningar i världen och det verkar öka med ungefär 15 %
per år [13]. Tekniken har sina fördelar, då både tumörer och andra sjukdomar är lätta att
upptäcka.
REFERENSER
[1] Flitman, Stephen S. (2000) "Survey of brain imaging techniques with implications for
nanomedicine". Foresight Nanotech Institute (online) 2000, [cited 3 Oct. 2007]]
<http://www.foresight.org/conference/MNT8/Papers/Flitman/index.html>
[2] "Computed tomography", Wikipedia, the free encyclopedia
<http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_tomography> (3 Oct. 2007).
[3] Simon Jackson, Richard Thomas, "Introduction to CT Physics", "Cross sectional imaging
made easy", pages 3-16, 2004.
[4] Pawasauskas, John. "Volume Visualization With Ray Casting", Matthew Ward's Home
Page
<http://web.cs.wpi.edu/~matt/courses/cs563/talks/powwie/p1/ray-cast.htm> (3 Oct. 2007).
8
Datorer i bilddiagnostik (CT)
Vetenskapsmetodik CDT212
Mälardalens Högskola
2007-10-08
[5] Paul S. Calhoun, Brian S. Kuszyk, David G. Heath, Jennifer C. Carley, Elliot K. Fishman,
"Three-dimensional Volume Rendering of Spiral CT Data: Theory and Method",
"RadioGraphics", pages 745-764, 1999.
[6] "Datortomografi / Varför görs undersökningen?", Sjukvårdsrådgivningen
<http://www.sjukvardsradgivningen.se/artikel.asp?CategoryID=18736> (3 Oct. 2007).
[7] Börn Andersson, Martin Valfridsson, 2005-02-18, ISRN: LITH-ITN-MT-EX--05/010--SE,
"Digital 3D Facial Reconstruction Based on Computed Tomography"
[8] Svitil, Kathy A. (1995-04-01) "The Mummy Unwrapped".
DISCOVER Magazine (online) April 1995, [cited 3 Oct. 2007]
<http://discovermagazine.com/1995/apr/themummyunwrappe490/>
[9] Makoto Danjou, Ayako Tateishi, Sayaka Itabashi, Yuko Masunaga, Kaori Koiso, Hiroko
Uchiyama, Masahiro Asano, Kazuaki Hirata, Tomohito Nagaoka, Sakuji Yoshimura, ”Facial
reconstruction of Egyptian mummy "Senu”, ACM SIGGRAPH 2006 Research posters
SIGGRAPH '06, 2006.
[10] Armin Kanitsar, Thomas Theußl, Lukas Mroz, Milos Srámek, Anna Vilanova Bartrolí,
Balázs Csébfalvi, Jirí Hladuvka, Dominik Fleischmann, Michael Knapp, Rainer Wegenkittl,
Petr Felkel, Stefan Röttger, Stefan Guthe, Werner Purgathofer, Meister Eduard Gröller,
”Christmas tree case study: computed tomography as a tool for mastering complex real world
objects with applications in computer graphics”, Proceedings of the conference on
Visualization '02 VIS '02, pages 489-492, 2002.
[11] Carrington, Catherine. "History offers hints about CT's future", Diagnostic Imaging
<http://www.diagnosticimaging.com/thinslicect/d.jhtml> (3 Oct. 2007).
[12] Jeandron, Michelle. "CT takes a slice of the action", Medical Physics MedicalPhysicsWeb
<http://medicalphysicsweb.org/blog/2007/07/19/ct_takes_a_slice_of_the_action_1> (3 Oct.
2007).
[13] Antony, Joe. "Cone beam CT- is this the future of CT scan?", mekentosj.com | Li[vf]e at
Neefix Laboratories
<http://mekentosj.com/goodies/cubism/science.html> (3 Oct. 2007).
[14] "The Difference Between MRI & CT (CAT Scans)", Listen Up Web - Resources for the
deaf and hard of hearing
<http://www.listen-up.org/med/ct_mri.htm> (3 Oct. 2007).
9
