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 MZ återgår till jämviktsläge, den kallas
spin lattice relaxation time Mz = Mo ( 1 - e-t/T1 )
• T2 är tidskonstanten som anger återgången till
jämvikt för den transversa magnetiseringen MXY,
den kallas spin-spin relaxation time
MXY =MXYo( 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!
