Informática Aplicada a Imagens MCP
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- Simone Madeira Carreira
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1 Serviço de Informática Instituto do Coração HC FMUSP Informática Aplicada a Imagens Médicas MCP Marco Antonio Gutierrez marco.gutierrez@incor.usp.br 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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