Komputerowe wspomaganie medycznej diagnostyki obrazowej Wstęp

Różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego.

Podział źródeł promieniowania: naturalne – występujące w przyrodzie: substancje promieniotwórcze zawarte w skorupie ziemskiej, a więc i w materiałach z których zbudowane są domy (uran, rad, tor), a w mieszkaniach radon – gaz będący produktem rozpadu radu, przenikający z ziemi i ścian do wnętrza domów; promieniowanie kosmiczne; substancje promieniotwórcze znajdujące się w naszym organizmie organizmach innych organizmach żywych, głównie potas-40 i inne naturalne pierwiastki promieniotwórcze;

sztuczne – wytworzone przez człowieka: źródła używane w badaniach radiologicznych, np. zdjęcia rentgenowskie klatki piersiowej; opad promieniotwórczy – substancje promieniotwórcze powstałe w wyniku próbnych wybuchów jądrowych oraz podczas normalnej pracy i awarii elektrowni jądrowych krążą razem z wiatrem, a po pewnym czasie opadają na ziemię; odpady promieniotwórcze; niektóre przedmioty codziennego użytku, np. zegarki świecące i odbiorniki telewizyjne, w których powstaje niewielka ilość promieniowania X; zastosowania w przemyśle i gospodarce.

Historia metod obrazowania Na przełomie XIX i XX wieku zaczął się ziszczaćodwieczny sen ludzkości dotyczący możliwości zajrzenia w głąb człowieka bez konieczności interwencji chirurgicznej. Prowadzone przez Wilhelma Conrada Roentgena prace badawcze zaowocowały 8 listopada 1895 odkryciem promieni „X”. Jeszcze w tym samym roku Roentgen uzyskał pierwsze obrazy radiologiczne kończyn człowieka, a dokładnie lewej ręki swojej żony. W tamtych czasach, obrazy te były wystarczająco nadzwyczajne. Odkrywały struktury dotychczas niedostępne w życiu.

Pierwsze zdjęcie RTG dłoni kobiety:

Lampa rentgenowska Jest to dwuelektrodowa lampa katodowa, przeważnie szklana, próżniowa, z żarzącą się katodą. Katodą jest spirala wolframowa zasilana napięciem 5-12 V, pod wpływem płynącego prądu nagrzewa się do temp. około 2400-3000 oC, przy której zachodzi zjawisko termoemisji elektronów. Anoda wykonywana była z bloku miedzianego pokrytego płytką z wolframu, tworzącą tzw. tarczę dla przyspieszanych elektronów. Obecnie stosuje się lampy rentgenowskie z tzw. wirującą anodą z prędkością od 3 do 17 tysięcy obrotów na minutę. Wzrosła dzięki temu obciążalność lampy, a skrócił się czas ekspozycji pacjenta. Izolację i chłodzenie lampy zapewnia praca anody w kołpaku olejowym.

Lampa rentgenowska

Lampa rentgenowska Lampa rentgenowska to źródło promieniowania o pewnej charakterystyce emisyjnej, która jak wykazał Kuhlenkampff, może być opisana za pomocą wzoru: gdzie: – natężenie promieniowania na jednostkowy przedział częstotliwości; Z – liczba atomowa materiału anody; A, B – stałe lampy, niezależne od przyłożonego napięcia i liczby atomowej; – częstotliwość określająca krótkofalową granicę promieniowania.

Natężenie promieniowania w funkcji energii opisuje więc zależność: Krótkofalowa granica promieniowania uzależniona jest od napięcia przyspieszającego wiązkę elektronów padających na anodę, wynika to ze związku pomiędzy energią pola elektrycznego i energią promieniowania: gdzie: e – ładunek elektronu; Ua – napięcie anodowe; h – stała Plancka; Natężenie promieniowania w funkcji energii opisuje więc zależność: gdzie:

Względne natężenie promieniowania wynikające z równania Kuhlenkampffa

Względne natężenie promieniowania po nałożeniu 0.01 mm filtru W oraz 0.7 mm filtru Al

Zmiana charakterystyki emisyjnej dla filtru Al

Zmiana charakterystyki emisyjnej dla filtru Cu

Zasady ochrony pacjenta przed nadmierną ekspozycją: ograniczenie wielkości napromienionego pola, właściwa filtracja promieniowania, właściwe dobranie parametrów elektrycznych nastaw badania w celu uniknięcia powtarzania ekspozycji, stosowanie osłon i fartuchów ochronnych.

Do oceny narażenia osób poddawanych zewnętrznej ekspozycji na promieniowanie jonizujące najczęściej używa się trzech wielkości: kermy w powietrzu – zdefiniowanej stosunkiem sumy energii kinetycznych naładowanych produktów oddziaływania do masy ośrodka, wyrażanej w grejach (Gy) (dawniej zwana dawką ekspozycyjną), dawki pochłoniętej – zdefiniowanej stosunkiem energii pochłoniętej w analizowanym obszarze ośrodka do jego masy, wyrażanej w grejach (Gy), dawki efektywnej – wyrażanej w sievertach (Sv) – zdefiniowanej wzorem:

gdzie: DT – średnia wartość dawki pochłoniętej w narządzie „T”, wT – wagowy czynnik narządu „T”, którego wartość kształtuje się w granicach od 0,01 (dla skóry, powierzchni kości) do 0,12 (dla czerwonego szpiku kostnego, jelita grubego, płuc, żołądka) oraz 0,2 (dla gonad), określa on wrażliwość narządów na promieniowanie jonizujące, wR – wagowy czynnik promieniowania, dla którego według zaleceń Międzynarodowej Komisji Ochrony Radiologicznej (ICRP-International Commission on Radiological Protection) dla promieniowania rentgenowskiego przyjmuje się wartość jeden.

Dawkę efektywną oszacowano na podstawie przedstawionych poniżej założeń: wartość wR = 1,00, wartość wKS = 0,01 dla powierzchni kości i skóry, wartość wM = 0,05 dla mięśni, przyjęto wartość dawki pochłoniętej DKS = DM = 0,20 mGy, przyjęto masę powierzchni kości i skóry oraz masę mięśni w obszarze pierwotnego promieniowania rentgenowskiego mKS = mM = 0,5 kg. Stąd otrzymano wartość E = 0,012 mSv. Dawka 1 mSv jest wartością graniczną, przy której narażenie pacjentów na stochastyczne skutki działania promieniowania jonizującego określa się jako minimalne.

Co to może być ?

Cyfrowa reprezentacja obrazu: Schemat siatki: a) heksagonalnej b) kwadratowej

Cyfrowa reprezentacja obrazu (model matematyczny): Obraz jako tablica dwuwymiarowa:

Cyfrowa reprezentacja obrazu (kwantyzacja): Skala szarości Zakres skali 21 22 24 28 2 wartości 4 wartości 16 wartości 256 wartości 0, 1 0, ..., 3 0, ..., 15 0, ..., 255

Akwizycja obrazu: Kwantyzacja obrazu w 16 poziomach jasności:

Akwizycja obrazu cd.: Kwantyzacja obrazu w 8 poziomach jasności:

Akwizycja obrazu – rozdzielczość obrazu:

Akwizycja obrazu cd.: Rozdzielczość obrazu 72 dpi:

Cele przetwarzania obrazów: poprawa subiektywnej jakości obrazu postrzeganej przez oko ludzkie; przetworzenie obrazu do postaci umożliwiającej pomiar wybranych jego cech, automatycznej analizy lub transmisji. Zatem analiza obrazu dotyczy metod wydobywania danych (informacji) z obrazów. Wynikiem analizy obrazów jest nie obraz lecz dane w postaci numerycznej lub symbolicznej.

Przykłady zastosowań systemów analizy obrazów: rozpoznawanie znaków (sortowanie przesyłek pocztowych, czytanie etykiet, rozpoznawanie tekstu); medycyna (diagnostyka obrazowa, RTG, tomografia komputerowa, USG, mikroskopia, ...); robotyka (rozpoznawanie obiektów, kontrola jakości); kryminalistyka (rozpoznawanie odcisków palców); obronność (rozpoznawanie celów, systemy automatycznego naprowadzania pocisków); eksploracja Ziemi i kosmosu (interpretacja obrazów astronomicznych, satelitarnych, lotniczych, sondy kosmiczne, prognoza pogody, poszukiwanie złóż mineralnych, monitorowanie zanieczyszczeń, ...). :

Przykładowe grupy przekształceń obrazu: przekształcenia geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia oraz zniekształcenia); przekształcenia punktowe (przekształcenia dowolnego punktu niezależnie od jego otoczenia): operacje logiczne, arytmetyczne; progowanie jasności; modelowanie histogramu obrazu; filtry: liniowe (wygładzające, wyostrzające, inne) ; nieliniowe (medianowe, stosowe, inne) ; przekształcenia morfologiczne: erozja, dylatacja, otwarcie, zamknięcie, inne; szkieletyzacja, obcinanie gałęzi, inne;

Przekształcenia geometryczne:

Progowanie jasności:

Korekta histogramu: gdzie: poziom jasności po przekształceniu I γ<1 255 L H B T γ<1 γ>1 γ=1 I0 I gdzie: poziom jasności po przekształceniu

Obraz oryginalny: Histogram powyższego obrazu

Obraz po rozciągnięciu histogramu do pełnego zakresu: Rozciągnięty histogram obrazu

Wyrównanie histogramu: gdzie: His(i)-liczba punktów o jasnościach i=0...Imax-1 oznacza nową jasność rozpatrywanego punktu obrazu po korekcji histogramu

Obraz po wyrównaniu histogramu: Wyrównany histogram obrazu

Obraz po wyrównaniu histogramu: Obraz po rozciągnięciu histogramu do pełnego zakresu: Obraz po wyrównaniu histogramu:

Obrazy monochromatyczne Funkcje MATLAB’a: Obrazy indeksowane Obrazy RGB Obrazy binarne Obrazy monochromatyczne tablice MATLABA mat2gray roipoly roicolor im2bw edge ind2gray gray2ind grayslice ind2rgb rgb2ind

Funkcje do konwersji klas zmiennych: : Typ obrazu uint8 → double double → uint8 indeksowany B=double(A)+1; B=uint8(round(A-1)); monochromatyczny lub RGB B=double(A)/255; B=uint8(round(A*255)); binarny B=double(A); B=logical(uint8(round(A-1)));