Informática Aplicada a Imagens MCP

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1 Serviço de Informática Instituto do Coração HC FMUSP Informática Aplicada a Imagens Médicas MCP Marco Antonio Gutierrez usp

2 Motivação: Visualização D e 3D Seqüências espaciais e temporais Estruturas dinâmicas Cortes oblíquos Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

3 Motivação: Quantificação Área Volume Distância i 3D Curva de evolução temporal Índices variação (fração de ejeção,...) derivadas (taxas de enchimento,...) Kinetic Energy Normalized Kinetic Energy 7 normal subjects Cardiac Cycle HD JG LS CM WP ML AS Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 3

4 Motivação: Análise Visualização 3D, 3D dinâmica (4D) Visualização em direções oblíquas Aspectos funcionais movimento, contração fisiologia, metabolismo Classificação Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 4

5 Motivação: Fusão Conjugação de imagens para melhorar a sensitividade e sensibilidade diagnóstica (fusão) Alinhamento de imagens 3D Estudo multi-modal modal (CT, MRI, SPECT,..) quantitativa Aumento da sensitividade e da especificidade diagnóstica L R Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 5

6 Processamento Digital de Imagens Formação Identificação de estruturas Quantificação e visualização Interpretação Pré-processamento Cálculos. Aquisição Segmentação Parâmetros Tomografia Reconhecimento Comp.gráfica Processamento Digital de Imagens c Classificação Intel. Artificial Redes neurais Informação Kinetic Energy Normalized Kinetic Energy 7 normal subjects Cardiac Cycle HD JG LS CM WP ML AS Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 6

7 Amostragem e Quantização Digitalização: it discretização espacial (amostragem) e de intensidade (quantização) Sinal analógico Ampli itude... q q 0 -q -q... Sinal digital Erros de Erros de quantização 0 T T 3T... Amostragem Tempo ou espaço Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 7

8 Imagem monocromática Função F(x,y) (x, y): coordenadas espaciais F(x,y): intensidade ou brilho da imagem em (x,y) y x Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 8

9 Imagem digital monocromática j=66 i= i = j = 66 Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 9

10 Processo de Discretização 4x 16x Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

11 Processo de Discretização tons de cinza Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

12 640h x 480v em 56 cores Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

13 30h x 40v em 56 cores Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

14 160h x 10v em 56 cores Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

15 80h x 60v em 56 cores Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

16 40h x 30v em 56 cores Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

17 640h x 480v em 56 tons de cinza Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

18 640h x 480v em 8 tons de cinza Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

19 640h x 480v - imagem binária Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

20 Modalidades de Imagens Médicas RX Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

21 Modalidades de Imagens Médicas Cine-angio-coronariografia MSP - HCFUM InCor - Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

22 Modalidades de Imagens Médicas DSA - Angiografia Digital Subtrativa - = Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

23 Modalidades de Imagens Médicas Ultrassom: Eco H O Z Onda mecânica Pulso Envia/Escuta t A t Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

24 Modalidades de Imagens Médicas Ultrassom Modo B Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

25 Modalidades de Imagens Médicas Ultrassom Modo B Virtual Body B&N Software Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

26 Modalidades de Imagens Médicas Ultrassom Modo M t Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

27 Modalidades de Imagens Médicas Ultrassom Modo Doppler: Efeito Doppler F 0 F 1 F 0 >F 1 F~VV Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

28 Modalidades de Imagens Médicas Ultrassom Modo Color-Flow Map Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

29 Modalidades de Imagens Médicas Ultrassom Modo Color-Flow Map Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

30 Modalidades de Imagens Médicas Ressonância Magnética Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

31 Modalidades de Imagens Médicas Ressonância Magnética Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

32 Modalidades de Imagens Médicas Ressonância Magnética Fr Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

33 Modalidades de Imagens Médicas Ressonância Magnética Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

34 Modalidades de Imagens Médicas Reconstrução Tomográfica: Modalidade SPECT Gama-câmara Miocárdio marcado com material radioativo (Tc) Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

35 Modalidades de Imagens Médicas Reconstrução Tomográfica: Modalidade de Emissão de Raio-X RX RX RX Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens

36 Conceitos básicos Imagem digital => matriz n-dimensional y D => pixel (picture element) raio X - CR (4096 x 4096 x B) short f[4096][4096] 3D => voxel (volume element) x CT multi-slice (700cortes x 51 x 51 x B) y z XA (1000 quadros x 51 x 51 x 1B) byte f[1000][51][51] 4D => spel (space element) gated SPECT, MRI,.. x Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 36 t

37 Resolução Espacial e de Profundidade 56x56 / 56 níveis 56x56 / 64 níveis 56x56 / níveis 3x3 / 56 níveis Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 37

38 Histograma nível de cinza l ocorre nl vezes em imagem com n pixels P ( l ) nl n Imagem n l Histograma l Imagem 3 x 5 (L = 4) e seu histograma Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 38

39 Histograma O histograma representa a distribuição estatística de níveis de cinza de uma imagem n l n l n l 0 55 l 0 55 l 0 55 l Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 39

40 Histograma Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 40

41 Conceitos importantes Resolução Espacial Define riqueza de detalhes da imagem Resolução de Profundidade Define riqueza de meios-tons Define cores Histograma Distribuição estatística dos níveis de cinza em uma imagem Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 41

42 Problemas: Imagens Corrompidas Degradação Ruídos Não Térmico homogeneidade d Estático dos sensores Quantização Não linearidade id d Difração Movimento e/ou Deslocamento Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 4

43 Ruído Gaussiano Tipo de ruído mais freqüente em imagens h i exp ( f i m), para f i 1 histograma do ruído f i : valor do i-ésimo pixel da imagem m 55 m, : média e desvio padrão do ruído Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 43

44 Ruído Gaussiano Original histograma 1 do ruído m 55 Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 44

45 Ruído Sal e Pimenta Mal funcionamento dos detectores 1 histograma do ruído s p 55 Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 45

46 Melhorar a qualidade da imagem Operações pontuais remoçãoderuído ruído equalização do histograma Operações espaciais i suavização do ruído filtros Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 46

47 Operações Pontuais Alteram a escala de tons de cinza através de uma transformação: v f u [0, L ] ( u) v [0 0, L ] Alargamento do Contraste Limiar (Thresholding) Equalização do histograma Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 47

48 Alargamento do contraste 0 v b u a a u v a u u v 0 ) ( v b L u b b u a v b u v a u v b a ) ( ) ( v b a b L v a u Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 48

49 Limiar v v a L u a L u Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 49

50 Equalização de Histograma s T ( r) round L 1 r RC l 0 n l Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 50

51 Equalização de Histograma Exemplo: imagem 64 x 64, L = 8 n l n l l l Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 51

52 Equalização de Histograma r = 0 s = round (790 x 7 / 4096) = 1 r = 1 s = round (1813 x 7 / 4096) = 3 r = s = round (663 x 7 / 4096) = 5 r = 3 s = round (3319 x 7 / 4096) = 6 r = 4 s = round (3648 x 7 / 4096) = 6 r = 5 s = round (3893 x 7 / 4096) = 7 r = 6 s = round (4015 x 7 / 4096) = 7 r = 7 s = round (4096 x 7 / 4096) = 7 L 1 r s T ( r) round n RC l 0 RC L 8 Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 5 l

53 Equalização de Histograma Exemplo: imagem 64 x 64, L = 8 l n l n k k Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 53

54 Equalização do histograma Imagem original i Imagem após equalização Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 54

55 Operações no domínio espacial Operações realizadas com informações da vizinhança de cada pixel da imagem original Convolução ol da imagem original com filtro de resposta ao impulso finita (máscara de convolução) Operadores: Média podenrada, Gaussiano, Laplaciano, Sobel, Mediana, etc, Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 55

56 Máscara de convolução 1 1 gg n, m h k, l f n k, m l k1l f n m W -1,1 W 0,1 W 1,1 W W W -1,0 0,0 1,0 W W W -1,-1 0,-1 1,-1 h k, l f, g n, m Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 56 x

57 Filtro Média Espacial (passa-baixa) 1 N 1 1, m hk, l f n k, ml g n N kl k1l h k, l f n, m g n, m 5 Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 57

58 Filtro Média Ponderada (passa-baixa 1 1 gg n, m h k, l f n k, m l k1l f n, m h k, l 4 g n, m Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 58

59 Filtro Média Ponderada (passa-baixa) g n, m h k, l f n k, m l 3 k1l1 1 1 h k, l Original Imagem Filtrada Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 59

60 Filtro Gaussiano (passa-baixa) h k, l f n, m g n, m Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 60

61 Filtro Gaussiano 3x3 5x5 Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 61

62 Sharpening (passa-alta) 1 N 1 1, m hk, l f n k, ml g n N kl k1l f n, m h k, l Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 6

63 Filtro Derivada Horizontal (passa-alta) g 1 1 n, m hk, l f n k, m l k 1 l h k, l f n, m g n, m Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 63

64 Filtro Derivada Vertical (passa-alta) g 1 1 n, m hk, l f n k, m l k 1 l h k, l f n, m g n, m Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 64

65 Filtro Gradiente (passa-alta) x y x Prewitt Sobel y f y f x x f y y x Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 65

66 Filtro Gradiente (Máscara de Sobel) x y, y exp Gauss x g x, y Gauss x, y f x, y G G x G y A B C Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 66

67 Filtro Laplaciano (segunda derivada) 1 1 gg n, m h k, l f n k, m l k1l h k, l - f n, m g n, m Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 67

68 Laplaciano da Gaussiana (LoG) original g[x,y] g[x,y] + original h k, l Gauss x y x, y exp x, y Gauss x, y f x y g, Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 68

69 Domínio do Espaço e Tempo: Gradiente f v f t i) (OFC) ii) v x v y v z iii) v x v y f v f dxdy t t 0 (suavização) (regularização) A B A x OFC + suavização = y Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 69

70 Derivadas espaciais e temporais em D e 3D D 3D t y y x x x x x E v E v E E v v z y x t z z y y x x x x x E E E E v E v E v E E v v t y y x x y y y y x x x E v E v E E v v E E v v z y x t z z y y x x y y y y E E E E v E v E v E E v v y x y y E E z y x t z z y y x x z z z E E E E v E v E v E E v v Imagem D 64x64, 8.19 incógnitas; Imagem 3D 64x64x64, incógnitas; ART, Gradiente Conjugado, etc; Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 70

71 Uso de phantoms para validar métodos Campo de vetores de velocidade d obtido aplicando a DWV 4D Mathematical Cardica-Torso Phantom Pretorius, et al. Medical Physics, 6:33-331, Imagens 3D dinâmicas (4D). Simula as câmaras cardíacas e estruturas do tórax (dimensões, volumes, massa, etc); 3. Simula movimentos das estruturas; 4. Inclui o movimento relativo à respiração; Campo de vetores de velocidade obtido aplicando a DCW Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 71

72 Quantificação em Gated-SPECT (99 m Tc-MIBI) ECG Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 7

73 Quantificação em Gated-SPECT (99 m Tc-MIBI) a) b) c) a) Imagem 3D do ventrículo esquerdo; b) campo de vetores de velocidade para um plano de interesse sobre a imagem em a); c) estruturas das fibras em um ventrículo dessecado Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 73

74 Quantificação em Gated-SPECT (99 m Tc-MIBI) Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 74

75 Energia Cinética : novo parâmetro fisiológico Seção transversal (D) de um estudo Gated- SPECT ea da Energia Cinética obtida com base na estimativa de velocidade 1 Ke m v v v x y z Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 75

76 Energia Cinética Normalizada e Volume do VE Energia Cinética Normalizada Energia Cinética e Volume do VE Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 76

77 Mapa Polar de Energia Cinética Campo de Vetores de Velocidade Energia Cinética do VE Seção transversal D Mapa Polar 3D->D Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 77

78 Processamento Digital de Imagens Formação Identificação de estruturas Quantificação e visualização Interpretação Pré-processamento Cálculos. Aquisição Segmentação Parâmetros Tomografia Reconhecimento Comp.gráfica Processamento Digital de Imagens c Classificação Intel. Artificial Redes neurais Informação Kinetic Energy Normalized Kinetic Energy 7 normal subjects Cardiac Cycle HD JG LS CM WP ML AS Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 78

79 Saiba o que procurar em uma imagem x, y Gauss x, y f x y g, Serviço de Informática InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 79

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