Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D Aplicação em Imagem Funcional e Metabólica

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1 Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D Aplicação em Imagem Funcional e Metabólica Diogo Faria, João Tavares, Durval C. Costa XIII Congresso Nacional de Medicina Nuclear Cascais 25 Novembro de 2011

2 Sumário Apresentação o o o Reconstrução Segmentação Quantificação Trabalho em curso Trabalhos e Colaborações Conclusões

3 Apresentação Licenciado em Medicina Nuclear pela Escola Superior de Tecnologia de Saúde do Porto Funções como Técnico Coordenador - Coordenação, Gestão Operacional e de Recursos Técnicos Todas as valências em Medicina Nuclear Diagnóstico (SPECT, PET e convencional) e Terapêutica (Ambulatório e Internamento) Certificação ISO 9001:2008 European Accreditation of the Nuclear Medicine Centre European Accreditation of the Nuclear Medicine Training Department 2005 Ciclotrão

4 Apresentação Aluno de Mestrado em Engenharia Biomédica na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D de Estruturas em Imagens Médicas Aplicação em Imagem Funcional e Metabólica Sob a orientação de: Prof. Doutor João Manuel R. S. Tavares Prof. Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto tavares@fe.up.pt Prof. Doutor Durval C. Costa Coordenador Clínico e Científico HPP-Medicina Molecular, SA. Diretor de Medicina Nuclear Fundação D. Anna Sommer Champalimaud e Dr. Carlos Montez Champalimaud Centro Clínico Champalimaud

5 Visão capacidade sensorial de extrema importância o o Permite adquirir informação sobre o meio circundante, como informação 3D Bem como sobre objetos, como forma, movimento, deformação A área do Processamento e Análise de Imagem tenta desenvolver algoritmos computacionais para a realização automática ou semi-automática de operações complexas usualmente realizadas pelo nosso sistema de visão Utilizados em Biologia, Medicina, Engenharia, Indústria, Desporto,...

6 6 Imagem / imagens Melhoramento de imagem Processamento de Imagem Segmentação de imagem / extração de características seguimento Visão 3D Análise de movimento emparelhamento alinhamento Visão por Computador Análise de Imagem / Visão Computacional simulação Slide credit: João Manuel R. S. Tavares S e g m e n t a ç ã o, R e c o n s t r u ç ã o e Q u a n t i f i c a ç ã o A p l i c a ç ã o e m I m a g e m F u n c i o n a l e João Manuel R. S. Tavares

7 Reconstrução de imagem o Métodos analíticos o Métodos Iterativos g(s, θ) número de cintilações detectadas na posição s ao longo do detector, com angulação θ f(x,y) número de fotões emitidos a partir de qualquer ponto (x,y) do plano transverso no campo de visão CYRI C Tohoku Univ. projection Projection Data & Image PET detector ring LORs sinogram data correction & reconstruction reconstructed image A detecção em coincidência de pares de fotões de 511 KeV formam Linhas de Resposta Line of Response, LoR Cada par de detectores define um possivel trajecto de emissão

8 Reconstrução de imagem Métodos analíticos Retroprojeção Filtrada Johann Radon, um matemático austríaco (1917), que demonstrou que um objeto poderia ser reconstruído a partir de múltiplas projeções obtidas segundo ângulos diferentes Retroprojeção - colocação de um valor de p(x r, Φ) numa matriz de imagem ao longo de uma LOR, para um valor fixo de Φ. Retroprojeção tornar o valor de um elemento adquirido em Φ e colocar este valor em todos os elementos ao longo de uma linha no ângulo Φ da matriz da imagem Reconstrução Tomográfica em TC e MN 3 Métodos de retroprojeção filtrada Projeções Retroprojeção Resultado final Obtenção da Transf. Fourier 1D para cada projeção, filtragem da transformação resultante (Ramp ou Hanning, entre outros...), cálculo Transf. Inversa da projeção filtrada e retroprojectar os dados para cada posição angular Projeções Projeções filtradas Retroprojeção filtrada

9 Reconstrução de imagem Métodos Iterativos Baseados em métodos estatísticos, procura uma solução através de sucessivas estimativas Tendo em conta as projeções obtidas, estima a distribuição de actividade que melhor se adequa; Vantagens Menor ruído (incorporação de modelos probabilísticos), modelação de efeitos físicos e redução de artefactos.

10 Reconstrução de imagem em PET 3D Aumento de sensibilidade LORs obliquas Métodos Analíticos Variância espacial dificulta a sua implementação extensão axial finita dos tomógrafos e LORs obliquas truncadas A distribuição de actividade reconstruida a partir das LORs directas pode ser reprojectada para obtenção das LORs obliquas completas 3DRP Métodos Iterativos Aumento das exigências computacionais aumento da informação a processar Incorporaçao da variância espacial da informação recolhida Conversão dos dados de planos oblíquos num conjunto de cortes paralelos a duas dimensões, permitindo assim uma posterior reconstrução de cada corte separadamente com um algoritmo 2D, para recuperação da imagem 3D SSRB, MSRB e FORE

11 Segmentação Papel da imagiologia médica não está limitado à inspeção e identificação de estruturas anatómicas planeamento cirúrgico avançado, quantificação, simulação e planeamento para radioterapia Pretende-se identificar de forma automática, ou semi-automática, os objetos (2D/3D) presentes em imagens estáticas ou em sequências de imagem Problemas envolvidos ruido, resolução espacial, formas não conhecidas, múltiplas estruturas presentes, movimento do doente, scatter, PVE e atenuação fotónica

12 Segmentação Aplicações Avaliação de volumes de orgãos ou tumores - resposta à terapêutica Definição de áreas a tratar em RT MIGRT (Molecular Imaging-Guided Radiation Therapy) Extração de parâmetros de relevância clínica FEVE em Cardiologia Nuclear, delineação automática de estruturas de interesse.

13 Segmentação Tresholding o Baseado em histograma, definido um valor de limiar (treshold), T - imagem é dividida em grupos de pixéis com valores dentro ou fora de determinada gama o Características espaciais ignoradas, sensível ao PVE, artefactos de movimento e heterogeneidade Crescimento de regiões o Procedimento inicia com um conjunto de pixéis semente crescimento de regiões uniformes o Assumpção que os valores de intensidade são constantes em regiões o Sensível ao ruido e PVE Classificadores o Técnica que faz a associação de classes a tipos de tecido. o Necessidade de treino prévio o Pode ser feito através de um operador ou usuário

14 Segmentação Clustering o Aplicação em imagens multi-banda o Número de clusters deve ser definido a priori o Separação da imagem em k regiões sendo o critério utilizado a cor e a distância euclidiana Detecção de orlas e contornos o Contornos interseção de 2 regiões onde existem variações bruscas no valor de intensidade dos pixéis o o o Operadores de derivada de primeira ordem mostram um extremo no contorno, enquanto operadores de derivada de segunda ordem passam por zero onde o contorno tem os seus altos e baixos mais íngremes Bons resultados em imagens com bom contraste Requer uma operação de filtragem que dê realce a mudanças nos valores de cada pixel e que anulem áreas com valores constantes

15 Segmentação Modelos deformáveis - Snakes o curvas, superfícies ou sólidos definidos numa imagem ou volume o um processo de alto nível ou o próprio operador inicializa a curva próxima ao contorno que se quer identificar o a Snake desenvolve, então, um processo de deformação no sentido do contorno até que se identifica com ele (ao nível da precisão do pixel).

16 Segmentação - PET Categoria Caracteristicas Limitações Manual Thresholding Sobel, Modelos Deformáveis Clustering, Redes Neurais Artificiais Inspeção Visual e Delineação manual Eficiente e de implementação simples Permite a incorporação de informação prévia, tais como a forma Reconhecimento de padrões Supervisionados e não supervisionados Variabilidade inter-observador, demorado Sensível ao PVE, heterogeneidade e artefactos de movimento, decisão prévia a qual o T a utilizar Sensível ao ruído da imagem Necessidade de treino e computacionalmente exigentes Habib Zaidi, Issam El Naqa:PET-guided delineation of radiation therapy treatment volumes: a survey of image segmentation techniques.eur J Nucl Med Mol Imaging (2010) 37:

17 Quantificação Exemplos Funcional Captação Tiroideia Função Renal FEVE Paramétrica Perfusão cardiaca Metabolismo Cerebral Quantificação Absoluta ou Relativa SUVs

18 Quantificação SPECT Eficiência de Detecção Ritt P, Vija H, Hornegger J, Kuwert T: Absolute quantification in SPECT. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging 2011, 38(0): Colimador Cristal Resolução espacial e penetração septal Perda de contagens Atenuação fotónica Radiação dispersa Radiofármacos Movimentos do doente Algoritmos de reconstrução PVE

19 Quantificação PET Análise de estudos metabólicos com FDG e PET Qualitativa sinal aumentado (focal) indica avidez para o radiofármaco específico Semiquantitativa SUV s (standardized uptake value), Razão Lesão/Fundo Absoluta Concentração FDG livre Pool extravascular FDG fosforilado Análise Gráfica Patlak-Gjedde e de Sokoloff- Phelps Métodos simplificados

20 Quantificação PET Causas de erro PVE Doente Tempo de aquisição de imagem pós injeção Movimento do doente PET-CT vs PET Calibraçã0 QA Características do tomógrafo Algoritmos de reconstrução de imagem

21 Trabalho em curso DaTSCAN Nome comercial do radiofármaco 123I-IOFLUPANO (123I-fluoropropyl- 2β-carbometoxy-3β-{4-iodophenyl}tropane), análogo da cocaína, usado para estudar os transportadores pré-sinápticos da dopamina (DaT) no SNC com SPECT Análise visual por observadores experientes Quantificação absoluta invasivo modelação cinética de radiofármacos amostragem de sangue arterial aquisições SPECT dinâmicas Métodos Semi-quantitativos utilizam computadores e softwares dedicados para extrair informação das imagens obtidas com estes radiofármacos catalogação de pacientes - diferentes padrões de captação relações entre áreas de captação específica em regiões de interesse e áreas de captação não específica

22 Trabalho em curso Especificação de Metodologia menor variabilidade entre estudos, e sistemas; Base de dados de normais e valores de referência; Automatização da metodologia de quantificação para redução da variabilidade interoperador Binding Potencials, Volumes and Pixel by Pixel Z-Scores Test vs Normal Datscan Database Francisco Oliveira, PhD - FEUP Segmentação automática das estruturas de interesse

23 Trabalhos F J Caramelo, D Faria, N C Ferreira, J J P Lima. Registration of planar scintigraphy data onto video images obtained at different perspectives, 11th International Congress of the IUPESM, Munich, Germany. F J Caramelo, D Faria, N C Ferreira, J J P Lima. A method for 3D motion correction of nuclear medicine planar imaging data, 11th International Congress of the IUPESM, Munich, Germany. Patrina, D. Faria, J. Vale, L. Ribeiro, D. Sousa, C. Nunes, J. Oliveira, A. Sevilla, D. C. Costa. Investigation of Central Sleep Apnea with Brain FDG-PET - technical aspects for setting-up a service. 22º Annual EANM Congress, EANM'09 Barcelona, Spain. D. Faria, J. Patrina, J. Tavares, L. Ribeiro, D. Sousa, J. Oliveira, J. Vale, D.C. Costa.Respiratory movements cause significant misregistration and altered SUVs in thoracic PET-CT studies with 18F-DG. 21º Annual EANM Congress, EANM'08 Munich, Germany. JIS Patrina, DAB Faria, A Sevilla, LC Ribeiro, DM Sousa, CA Nunes, PMRR Genésio, JVF Silva, JMP Oliveira, DC Costa. Radiotherapy planning with [18F] - DG PET-CT: technical aspects and preliminary results. 18 o Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine - EANM 06, Athens, Greece. (Nomeado para melhor apresentação oral)

24 Colaborações Universidade Católica, Porto Estudo comparativo da imagem tiroideia com dois tipos de colimadores buracos paralelos Vs pinhole. Caracterização da distância focal da colimação pinhole. Ana Dionísio, Escola Superior de Biotecnologia U. Católica. Tese de Mestrado Estudo da velocidade de exposição radioactiva de doentes submetidos a cintigrafia de perfusão do miocárdio após a primeira e segunda injecção do radiofármaco no mesmo dia. Diana Faria, Escola Superior de Biotecnologia U. Católica. Tese de Mestrado Estudo qualitativo e quantitativo de cintigrafias dinâmicas vs estáticas com DMSA. Ana Sousa, Escola Superior de Biotecnologia U. Católica. Tese de Mestrado Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade de Coimbra Definition, elaboration and validation of tests in radioactivity measuring devices (Radionuclide Dose Calibrators). André Santos e Rui Martins Estágios de Verão Definition and implementation of processes for evaluation of the spacial resolution in different points of images in a gamma camera. André Santos e Rui Martins Estágios de Verão CÂMARA GAMA: RESOLUÇÃO ESPACIAL, UNIFORMIDADE E CONTRASTE. Carolina Francisco e Mariana - Estágios de Verão

25 Colaborações Faculdade de Farmácia, Universidade do Porto ESTUDO DAS VARIÁVEIS QUE INFLUENCIAM A FORMAÇÃO DO COMPLEXO 99Tcm-TETRAFOSMINA E OPTIMIZAÇÃO DO PROTOCOLO DE PREPARAÇÃO DO RADIOFÁRMACO, Liliana Martins, Tese de Mestrado Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto Emparelhamento e Alinhamento de Estruturas em Visão Computacional: Aplicações em Imagens Médicas., Francisco Oliveira, Tese de Doutoramento. Faculdade de Medicina, Universidade de Coimbra INTEGRAÇÃO DA IMAGEM VÍDEO DO PACIENTE NAS IMAGENS DE MEDICINA NUCLEAR. Francico Caramelo, Tese de Doutoramento. Faculdade de Ciências, Unversidade do Porto "Analise quantitativa de co-registo de PET/RM cerebrais. Joana Vale, Tese de Mestrado em Fisica Médica IST - Instituto Superior Técnico Alzheimer's Disease Diagnosis using 3D Brain Images - Exploring new grounds on features extraction and selection, Eduardo Bicraco, Tese de Mestrado Faculdade de Ciências Universidade de Lisboa CONTRIBUTO PARA A OPTIMIZAÇÃO DOS ESTUDOS DE PERFUSÃO MIOCARDICA UTILIZANDO IMAGENS DE MEDICINA NUCLEAR SINCRONIZADAS COM O ELECTROCARDIOGRAMA. Lina Vieira Tese de Doutoramento

26 Conclusões A área da Análise de Imagem é complexa e exigente mas de elevado interesse em muitos domínios O processamento e análise de imagem digital constitui um importante desenvolvimento na área da visualização de imagens permitindo melhorar a sua interpretação e realçar aspectos distintos Programas de processamento e análise de imagem são cada vez mais importantes como ajuda à decisão clínica Uma boa ferramenta de processamento e análise de imagem leva a resultados mais fiáveis e com menos erros associados ao operador Práticas de investigação e desenvolvimento podem ser implementadas e desenvolvidas sem comprometer normal funcionamento de um Departamento movimentado A investigação ligada à área das Tecnologias de Medicina Nuclear é uma realidade que contribui para a melhoria dos processos e práticas do serviço a que está associada devendo ser implementada e incentivada.

27 Obrigado!

28 Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D Aplicação em Imagem Funcional e Metabólica Diogo Faria, João Tavares, Durval C. Costa XIII Congresso Nacional de Medicina Nuclear Cascais 25 Novembro de 2011