OH del 1

Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Medicinsk bildbehandling
Del 1: Bildskapande och visualisering
Prof. Ewert Bengtsson
Centrum för bildanalys
2005-05-11
#
1
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, bearbeta
och tolka medicinska bilder
• Denna föreläsning – visuell tolkning
• Nästa föreläsning – datoriserad bildanalys
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
2005-05-11
2
Arbetsflödet vid medicinsk bildanalys
Problem
Bildskapande
Bildbehandling
Segmentering
Egenskapsextraktion, bildbeskrivning
Klassificering, igenkänning,
tolkning
Lösning
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
3
1
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Arbetsflödet vid medicinsk bildbehandling och
visuell bildanalys
Problem
Bildskapande
Bildbehandling
Segmentering
Visualisering
Egenskapsextraktion, bildbeskrivning
Klassificering, igenkänning,
tolkning
Lösning
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
4
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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
5
Medicinskt bildskapande modaliteter
• XRay,
XRay, CT
• PET, SPECT
• MRI
• Ultrasound
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
6
2
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Mikroskopi - ytterligare ett viktigt sätt
skapa medicinska bilder
• Utelämnas i denna föreläsning
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
7
Röntgen – teknikens uppfinnare
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
8
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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
9
3
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Fluoroskopi kontra radiografi
• Fluoroskopi –
genomlysning,
• Radiografi –
röntgenfotografering
• ger levande bild på
patienten,
• kan ställa realtids diagnos,
• se rörliga förlopp,
• styra vissa undersökningar,
• ger hög strålbelastning
också för läkaren
2005-05-11
• erhåller en frusen,
permanent stillbild,
• kan tolka i lugn och ro,
• ger medicinsk och juridisk
dokumentation
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
10
Fluoroskopi
• Fluoroscope,
Fluoroscope, ursprungligen zinkkadmiumsulfidskärm,
7% verkningsgrad
• Elektrooptiska bildförstärkare med fluorescensskärm
(>10.000 ggr förstärkning)
• Bildförstärkare med TVTV-kamera (rör eller CCD)
• Digital registrering av bilden från TVTV-kameran
• Digital fluoroskopi
• Digital subtraktionsangiografi
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
11
Modern digital fluoroscopi
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
12
4
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Radiografi
• Ursprungligen direkt filmexponering, ger högst skärpa
men låg verkningsgrad, används endast i specialfall,
t.ex. tandröntgen
• Förstärkningsskärmar omvandlar röntgen till ljus, vinst
100100-10000 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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
13
Klassisk röntgenprojektion, ger en
tvådimensionell skuggbild
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
14
Lungor - Pulmonary
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
15
5
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Konventionell kontra digital,
högfrekvensförstärkt röntgenbild
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
16
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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
17
Muskler och skelett
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
18
6
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Blodkärl Angiografi
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
19
Angiography
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
20
Mammography
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
21
7
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Datortomografi – CT Computed Tomography
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
22
Computed Tomography (CT)
Skapar
bilder av
skivor
genom
kroppen
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
23
Tomografisk funktionsprincip
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
24
8
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
CT-funktionsprincip
• I ett stort antal projektionsstrålar genom
kroppen mäts röntgentätheten,
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
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
2005-05-11
25
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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
26
CT: skelett - hjärna
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
27
9
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Buken - abdominal
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
2005-05-11
28
CT - Angiografi
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
29
Magnetisk Resonans Tomografi (MRI)
Bygger på magnetiska
pulssekvenser i ett
starkt magnetfält
T1
T2
PD
Olika pulssekvenser ger olika kontrast
Skivornas
orientering kan
väljas fritt
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
30
10
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
2003 års Nobelpris i Fysiologi eller
Medicin gällde MRT
• Förra årets Nobelpris gick till :
• Paul C. Lauterbur
• Peter Mansfield
• Det fanns en tredje uppfinnare som var 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!”
Righted!”
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
31
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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
32
Några grundläggande MRMR-begrepp
• MRMR-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
spinspin-spin relaxation time MXY =MXYo( e-t/T2)
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
33
11
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
34
Muskler och skelett (leder)
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
35
Neurologiskt
Multiple sclerosis
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
36
12
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Angiografi
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
37
Angiografi
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
38
Buken
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
39
13
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Hjärtat
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
40
Functional imaging
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
41
Nya öppnare MR designer
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
42
14
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
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, andning kan
öka detaljskärpan
• Kontrastmedel kan framhäva vissa strukturer
• Med funktionell MR, fMRI kan aktivitet i t.ex. hjärnan
registreras
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
2005-05-11
43
Att studera vidare om MR
• En bra beskrivning av MRI tekniken finns på
http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm
• En bra populär beskrivning om vad MR är finns
/medicine/laureates
laureates/2003/
/2003/press
press-på http://www.nobel.se
http://www.nobel.se/medicine/
sv.html
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
44
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.
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
45
15
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Positron Emissions Tomografi :
skannern
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
46
Positron Emission Tomografi : accelerator
för att skapa de radioaktiva spårämnena
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
47
PET - funktionsprincipen
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
48
16
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
49
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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
50
Exempel på PET-bilder
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
51
17
Computerised Image Analysis VT03
2005-05-11
5/11/2005
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
52
PET i Uppsala
• PETPET-forskningen i Uppsala ligger mycket väl
framme internationellt
• Häromåret såldes PETPET-centrum till AmershamAmershamBiosciences och Imanet AB bildades
• AmershamAmersham-Biosciences har nu köpts av GE
Medical
• Fortsatt forskningssamarbete med universitetet
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
53
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.
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
54
18
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Scintigraphy - SPECT kamera
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
55
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
=ektomografi
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
56
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
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
57
19
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Tillämpningsexempel
Att detektera
benmetastaser
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
58
Ultraljudsavbildning
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
59
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,
speckle, och med ickeicke-lineariteter i ljudets
utbredning
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
60
20
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Ultraljud, bäst på att visa mjukdelar
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
61
Hjärtat
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
62
Magen
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
63
21
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Fosteravbildning
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
64
Ultraljud för fosterundersökningar
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
65
Ultraljud kan visa flöden bl.a. med
Dopplerteknik
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
66
22
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Visualisering av medicinska bilder
• 2D
• Har hittills dominerat
• 3D
•
•
•
•
MultiMulti-Planar Reconstruction
Maximum Intensity Projection
Surface Rendering
Volume Rendering
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
67
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
68
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
2005-05-11
MultiMulti-Planar Reconstruction
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
69
23
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
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.
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
70
Volymsrendreringsmetoder
• Enstaka modalitet
• Grånivågradientskuggning
• Maximum intensitets projektion (MIP)
• Integrerande projektion
• Multipla modaliteter
• Kombinerad rendrering
• Implicit segmentering
• Ytprojektion of kortical activitet
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
71
Maximum Intensitets Projektion
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
72
24
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
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
2005-05-11
PET
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
73
Volymsredreringsexempel
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
74
Skuggade ytor
Shaded Surface Display (SSD)
• Kräver segmentering
• Ytelementen skuggas eller färgsätts I
enlighet med någon belysningsmodell
• Om så önskas kan textur också läggas till
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
75
25
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Kan lägga på färg för olika organ vilket kan ge
mycket detaljrika 3D visualiseringar
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
76
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
77
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
78
26
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
79
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
80
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
81
27
Computerised Image Analysis VT03
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
5/11/2005
82
Visualisering av Ultraljuds 3D bilder
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
83
Visualisering av « The Visible Human »
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
84
28
Computerised Image Analysis VT03
5/11/2005
Framtidsperspektiv
• Sammansmältning av bilder från olika tekniker (MR, CT, PET,…)
• Dual imaging enheter
• Sammansmältning genom bildbehandling - Image Fusion
• Interventionell användning av medicinska bilder
• RealReal-time imaging
• Virtual surgery
• Mer kapacitet och svårare problem
• Mer datorresurser (Moores lag)
• Ökning av upplösning (växer kubiskt), läkarnas förväntningar
• Fullständigt automatisk analys är en (orealistisk) dröm
• Alltför viktigt inte göra fel
• Bra interaktiva system är pålitligare...
2005-05-11
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
85
Det var allt, tack för intresset!lder från
Tack också till Xavier Tizon och övriga som bidragit med bilder
Medicinsk bildbehandling Ewert Bengtsson, CBA
29