Imagens Médicas: tipos

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1 Imagens Médicas: tipos Anatômicas x funcionais raio X, RM, US,.. radioisótopos, PET, SPECT, RM Fusão de modalidades Estáticas raio X, RM,.. Dinâmicas US, RM,.. S.Furuie Jun01-1

2 Imagens Médicas: tipos Tomográficas CT, SPECT, PET, US, RM,.. Tridimensionais CT, SPECT, PET, US, RM 3D Dinâmicas spiral CT, gated-spect, US, gated-rm S.Furuie Jun01-2

3 Imagens: características Contraste Resolução espacial c = a a + b b Resolução intens.:1/256 => Faixa dinâmica [0, 255] => b a Desafio: compactação de info. p/ apresentar os parâm. diagnósticos fundam. b a Resp. impulso FWHM S.Furuie Jun01-3

4 Imagens: representação Função contínua f(x,y) f: R n => R p Função discreta f(i,j) f: Z + n => Z + p Pixel (picture element) f(i,j) Voxel (volume element) f(i,j,k) Spel (space element) f(i,j,... n) Representação matricial F[i][j] F nxm f f f f f f = f 1 f 2 f m m n n nm S.Furuie Jun01-4

5 Notação Geral (nd) vetorial 1D, 2D, 3D,... Operações algébricas, aritméticas, matriciais F r f f f = F 3 X 3 = f f f f f f f f f S.Furuie Jun01-5

6 S.Furuie Jun01-6 Exemplos C A B p q r p q r p q r,,,,,, = + Algoritmo: n=p*q*r; for (i=0; i< n ; i++) c[i]=a[i] + b[i]; ] [. ] [ ) ; ; 0 ( Algoritmo.. espaco var. lineares Sistemas 0 1,. 1,..,. 1,.,,.,., i n f h i g i n i i for n f H g n F H G j j ij q p n m n m q p q p q p n m n m q p q p + = + + < = + = + = = r r r

7 Modelo de formação Imagens Médicas Objeto transmissão reflexão emissão Sistema de Aquisição foto-eletr. piezo-elétr. foto-eletr, Imagem.raio-X,.US.MN, MRI y f(x,y) h(.) y g(x,y ) x Função geral p/ formação de imagens h(.) = h(x,y,x,y,f(x,y) ) (2D) h(.) = h( u, u, f(u) ) (nd) x S.Furuie Jun01-7

8 Sistemas aditivos, lineares f 1 (x,y) g 1 (x,y ) f 2 (x,y) g 2 (x,y ) Sistemas aditivos = g ( x ', y') h ( x ', y', x, y, f ( x, y )). d x. d y Sistemas lineares a.f 1 ( ) + b.f 2 ( ) a.g 1 ( ) + b.g 2 ( ) h(x,y,x,y,f(x,y) ) = h(x,y,x,y). f(x,y) g ( x ', y') = h ( x ', y', x, y ). f ( x, y ). d x. d y PSF : point spread function S.Furuie Jun01-8

9 Sist. lineares: representações Puntual g ( x ', y ' ) = h ( x ', y ', x, y ). f ( x, y ). dx. dy Operador g = H f Matricial G = A.F.B (separavel) H = A B T Vetorial G g = g = H. f H f S.Furuie Jun01-9

10 Notação vetorial G N X N g N 2 x 1 H N2 x N2 F N X N f N 2 x 1 i g = H f g i = h ij f j j g = H. f S.Furuie Jun01-10

11 Modelo p/ degradação Puntual Cromático Degradação pelo processo da vizinhança (Blur) difração movimento desfocamento g = H. f g =... H j... PSF de j f j h ij = 1 i (Conservação de energia) S.Furuie Jun01-11

12 Point spread function (PSF) Conceito: resposta impulsiva SVPSF: space variant PSF g ( x ', y ' ) h ( x ', y ', x, y ). f g = H.f = ( x, y ). dx. dy SIPSF : space invariant PSF = g ( x ', y' ) h ( x ' x, y' y ). f ( x, y ). d x. d y h(x,y,x,y) = h(x - x, y - y) g (x,y ) = (h * f ) (x,y ) (Convolução) H : matriz circulante H = A B T G(u,v) = H(u,v). F(u,v) h( 0) 0 h ( 2) h( 1) h ( 1) h( 0) 0 h( 2) h( 2) h( 1) h( 0) 0 0 h( 2 ) h( 1) h ( 0) S.Furuie Jun01-12

13 Modelo com ruído Modelo realístico simplificado blur ruído sistema linear Space invariant PSF g = H.f + r g( x', y' ) = h( x' x, y' y). f ( x, y). dx. dy + r( x', y' ) G(u,v) = H(u,v). F(u,v) + R(u,v) f h + g r S.Furuie Jun01-13

14 Filtros digitais: SIPSF Filtragem no domíno do espaço (Convolução) g ( x ', y' ) = h ( x ' x, y' y ). f ( x, y ). d x. d y g (x,y ) = (h * f ) (x,y ) M N g ij = h ( i m, j n ). f ( m, n ) m 1 = 0 n = 1 0 Exemplos Características do filtro? Filtragem no domínio da frequencia (DFT) S.Furuie Jun01-14

15 Estimativa de parâmetros PSF Fonte Perfil PSF média simetria circ. Blocos: derivada P gg ~ 2 = H ( u, v ). P ff log H = 1 M. (log G log F ) S.Furuie Jun01-15

16 Modalidades Raio X Ressonância Magnética Ultra-som Medicina Nuclear CT Microscopia S.Furuie Jun01-16

17 Raio X Princípios físicos onda eletromagnética (energia 5 a 150 kev) atenuação dependente do material absorção: efeito fotoelétrico espalhamento: efeito Compton maior energia => menor atenuação (contraste) ruído : degrada resolução e contraste Poisson Espalhamento geração de raio X fonte pontual desaceleração do e (bremmstralung) esfriamento do anodo S.Furuie Jun01-17

18 Detecção de Raio X Filmes combinados com screen screen: sensível raio X (P)=> luz visível => filme Fluoroscopia intensificador de imagens + câmera baixa dose raio X P CsI V P Câmera raio X =>luz =>e- =>aceleração=>luz descarga (PbO) =>scan e- =>V S.Furuie Jun01-18

19 Raio X: sist. digitais Sistemas digitais cassete(p) + scanner intensificador de imagem + câmera de TV + ADC vantagens: PACS : armazenamento, visualização distribuída, acesso pós-processamento, restauração, reconstrução tomográfica, quantificação compressão fusão multimodal e temporal fluoroscopia DSA: redução de 2x na dose de contraste injetada telemedicina... S.Furuie Jun01-19

20 Raio X: Aplicações Convencional: projecão pulmão, cabeça,... Fluoroscopia (80 kw, kev) angiografia, angioplastia, DAS catheter 1 a 3 mm 512 x 512, 1k x 1k, q/s Mamografia (18 a 23 kev) alta resolução (50 µm) (4k x 4k) baixa dose S.Furuie Jun01-20

21 Raio X: Aplicações (cont.) CT (Computed tomography) 1971 (Hounsfield) Ultra Fast CT => 50ms / slice CT => 1 s / slice kev S.Furuie Jun01-21

22 Ressonância Magnética Comercial na década de 80 elevado investimento e custo operac. não-invasivo, não é bloqueado Anatômica e funcional cabeça (40%), coluna (30%), ossos e juntas (17%), corpo (10%) diferencial em relação ao raio X fast (EPI): 50 ms / imagem + Princípios físicos núcleo: num. atômico, peso atômico, spin (momento magnético) átomos com número ímpar de prótons ou peso atômico ímpar. Ex. H orientação através de campo externo (0.2 a 1.5 T) (net orientation) S N S.Furuie Jun01-22

23 RM: princípios físicos precessão na direção z frequência de Larmor: dependência com o núcleo e campo externo como medir w?=> excitar via RF perpendicula a B 0 ressonância => sinal captado proporcional à quantidade de material. Volumétrico B 0 w B = γ. 0 S.Furuie Jun01-23

24 Ressonância Magnética Reconstrução tomográfica a partir de transformações MRI : informação anatômica funcional perfusão metabolismo (espectrografia) técnicas rápidas (< 1 s/ corte) S.Furuie Jun01-24

25 RM Echo planar imaging (EPI) T1: spin-lattice relaxation taxa de recuperação (63%) do comp. z transfere energia p/ o redor (não p/ outro spin) T2: spin-spin relaxation taxa de decaimento do sinal (37%) transverso transfere energia p/ outro átomo Moving spins: MR angiography Magnetos supercondutores 1.5T (Terra 0.5 G) 65 km fio, 200A, 4.2K => anos S.Furuie Jun01-25

26 Ressonância Mag.: Aplicações tempo: convencional ~min, FSE (fast spin echo) ~20s, gradient-echo ~s, EPI 50 ms RM funcional captar sinais diferentes p/ sangue com diferentes características (oxigenação e perfusão) baixa intensidade Espectroscopia freq. Larmor depende também do ambiente químico do núcleo=> shift no espectro S.Furuie Jun01-26

27 Ultra-som Custo/benefício muito bom Princípios físicos efeito piezo-elétrico: mecânica <=> elétr. espalhamento dentro das estruturas resolução espacial ~1 λ =1.5 mm c= ~1500 m/s (média no corpo) 20-50MHz p/ intra-arterial MHz p/ microscopia celular S.Furuie Jun01-27

28 Ultra-som: modo A modo A Transdutor d 2d=c.t v t tempo S.Furuie Jun01-28

29 Ultra-som: transdutores phased-arrays focar (guiar) região diferentes geometrias t Foco Transm. Rec. S.Furuie Jun01-29

30 Ultra-som: aplicações Estudo de estruturas dinâmicas em uma determinada posição. válvulas cardíacas no modo M Cortes tomográficos 2D cardíaca fetal abdominal,... Fluxo e velocidade efeito Doppler f = 2 f 0.cos( α ). v c feixe transd. α pele fluxo vaso S.Furuie Jun01-30

31 Medicina Nuclear Características torna visível processos e estruturas pequenas sem interferência marcação de fármacos com pequeníssima quantidade de material instável traceja metabolismo => funcional e perfusão resolução em torno de 8mm Princípios Físicos fóton único - átomos instáveis (radioisótopos). Liberação de radiação (alfa,beta, gama, x). (imaging > 50keV ) pósitron -liberação de pósitron, com aniquilamento com geração de duplo fótons em direções opostas detecção: cintilador (cristal NaI) => fóton multiplicador => contador. S.Furuie Jun01-31

32 Medicina Nuclear y+ PMTs cristal Colimador x- x+ y- -Codificação eletrônica da posição (x,y) -1 fóton de cada vez. x y z Pulso Analiz. ADC Comp. S.Furuie Jun01-32

33 MN: degradação Ruído estatístico: Poisson perda de contraste Field of view: resposta impulsiva dependent de posição Atenuação pode induzir a erros de interpret. correção nas imagens tomogr. Espalhamento ruído, perda de contraste, perda de resolução Dead time ~2us perda de sensitividade, erro de espalhamento S.Furuie Jun01-33

34 Medicina Nuclear: Aplicações Imagens cintilográficas planares tireóide, corpo inteiro Imagens dinâmicas planares função renal, gated blood pool SPECT tomografia cerebral, perfusão do miocárdio gated-spect PET função ventricular dinâmica metabolismo cerebral S.Furuie Jun01-34

35 Tomografia Reconstrução tomográfica a partir das projeções CT, Spiral CT, fastct SPECT PET S.Furuie Jun01-35

36 CT I 0 I L I µ ( x ). d x 0 = e I 0 I L 0 ln ( ) = µ ( x ). I 0 d x Informações não invasivas por transmissão Amostragem angular e espac. Gerações de CT velocidade de aquisição e reconst. reconstr. volumétrica S.Furuie Jun01-36

37 CT p/ Estruturas dinâmicas Ultrafast CT sem estruturas móveis 50 ms/scan (20 cortes/s) volume: 8 cm em 0.25 s S.Furuie Jun01-37

38 Rec. Tomogr. em MN Reconst. tomográfica por Emissão de fóton único - SPECT PET Radio-fármacos Metabolismo, perfusão Não segue a transformada de Radon Degradações fortes devidas a: atenuação, espalhamento, ruído S.Furuie Jun01-38

39 Rec. Tomogr. em MN (cont.) Equipamentos Uma gama câmera SPECT Dupla gama câmera SPECT transmissão e emissão SPECT - PET : MCD PET 2D, 3D S.Furuie Jun01-39

40 Microscopia confocal Direta Detector Digitalizador 3D ótico (laser) : 0.5 mm resol. microscópio confocal laser, foco ótico material translucente Ultra-som órgãos vasos (IVUS ) Abertura confocal Filtro Dicróico Amostra Plano em foco S.Furuie Jun01-40