Πληροφορική της Υγείας

Ενότητα 5^η-Πληροφορική των απεικονίσεων

Η υπεύθυνη του μαθήματος

Παναγιώτα Σπυρίδωνος

E-mail: pspyrid@uoi.gr

Περιεχόμενα

• Εισαγωγή στα Ιατρικά Απεικονιστικά Συστήματα
• Ψηφιακή Εικόνα, Χωρική ανάλυση, Βάθος χρώματος
• Βασικές αρχές επεξεργασίας ψηφιακής εικόνας /Προεπεξεργασία / Τμηματοποίηση/ Αυτόματη Ανάλυση-Ερμηνεία
• Εισαγωγή στα συστήματα υποστήριξης διάγνωσης (computer-aided diagnosis -CAD)
• Radiomics/Radiogenomics

Ιατρικά απεικονιστικά συστήματα-Εισαγωγή

Τα ιατρικά απεικονιστικά συστήματα, αναπτύχθηκαν για την απεικόνιση των εσωτερικών δομών του ανθρωπίνου σώματος, μέσω της αλληλεπίδρασης διαφορετικών μορφών ενέργειας (κυρίως ακτινοβολίας) με βιολογικούς ιστούς

Τα συστήματα αυτά έχουν ως σκοπό τη διάγνωση, το σχεδιασμό και την παρακολούθηση των θεραπευτικών αγωγών και τη συμβολή σε πειραματικές μελέτες

Ιατρικά απεικονιστικά συστήματα-Εισαγωγή (μέρος A)

Ιατρικά απεικονιστικά συστήματα-Ιστορική Αναδρομή

Η απεικόνιση της ανατομίας και της λειτουργίας διαφόρων οργάνων του ανθρωπίνου σώματος ξεκίνησε στις αρχές του προηγούμενου αιώνα, μετά από την ανακάλυψη των ακτίνων Χ (από τον Γερμανό Φυσικό Roentgen, 1895).

Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που είναι ικανή να διαπερνά το ανθρώπινο σώμα και να παράγει μία φωτογραφία από το εσωτερικό του, δείχνοντας με λεπτομέρεια τα κόκαλα, τις κοιλότητες και άλλες ανατομικές δομές

Ιατρικά απεικονιστικά συστήματα-Ιστορική Αναδρομή

Εξετάζοντας μια ακτινογραφία θώρακος για παράδειγμα, μπορούμε να δούμε διάφορες ανατομικές δομές.

Ο τρόπος με τον οποίο οι δομές αυτές “αποτυπώνονται” είναι κατανοητός και έχει να κάνει με την απορρόφηση της ακτινοβολίας Χ κατά τη διέλευσή της από το σώμα του εξεταζόμενου.

Έτσι τα οστά απεικονίζονται «άσπρα» καθώς η ακτινοβολία απορροφάται απ’αυτά και ο αέρας μέσα στους πνεύμονες απεικονίζεται «μαύρος» καθώς η ακτινοβολία εύκολα τον διαπερνά.

Ιατρικά απεικονιστικά συστήματα-Ιστορική Αναδρομή

• Τα βασικότερο πρόβλημα της μεθόδου ήταν η απώλεια βάθους. Τρισδιάστατες δομές του σώματος προβάλλονται πάνω σ’ ένα επίπεδο δύο διαστάσεων!

• Η ραγδαία εξέλιξη των απεικονιστικών ιατρικών συστημάτων αρχίζει στο τέλος της δεκαετίας του ’70 με την χρήση των ηλεκτρονικών υπολογιστών και της ψηφιακής τεχνολογίας.

Η μεγάλη επανάσταση στην ιατρική απεικόνιση, γίνεται με την εμφάνιση της Υπολογιστικής (Αξονικής) Τομογραφίας.

Η ανακάλυψη του αξονικού τομογράφου από τους Άγγλους μηχανικούς Hounsfield και Mc Cormas, τιμήθηκε από το βραβείο Nobel στην Ιατρική το 1979

Ιατρική απεικόνιση Τομογραφίας

• Τομογραφία είναι μία κατηγορία μεθόδων ιατρικής απεικόνισης που ανασυνθέτουν μία τομή του σώματος εκμεταλλευόμενες την αλληλεπίδραση ενός είδους ενέργειας (ακτινοβολίας) με αυτό.
• Παρέχει ανατομικές ή /λειτουργικές πληροφορίες.
• Η μαθηματική επεξεργασία με την βοήθεια Η/Υ των δεδομένων μιας τομογραφικής μεθόδου για τη δημιουργία της εικόνας ονομάζεται τεχνική ανακατασκευής εικόνας (Image Reconstruction)

Ιατρική απεικόνιση Τομογραφίας /Παραδείγματα

Βασικές Αρχές Υπολογιστικής (Αξονικής) Τομογραφίας

Όπου:

Ι_d είναι η εξερχόμενη ή ανιχνευόμενη ένταση των ακτίνων Χ

Ι_o η προσπίπτουσα στο αντικείμενο ένταση των ακτίνων Χ

ℓ το μήκος τη διαδρομής των ακτίνων Χ μέσα από το αντικείμενο και

μ ο γραμμικός συντελεστής εξασθένισης των ακτίνων Χ μέσα από το αντικείμενο.

Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φωτόνια) που παράγονται από ειδικές συσκευές (στις οποίες μία επιταχυνόμενη δέσμη ηλεκτρονίων από την κάθοδο προσπίπτει στην άνοδο και παράγει ακτίνες Χ).

Κατά την διέλευση των ακτινών Χ μέσα από ένα αντικείμενο οι ακτίνες απορροφώνται σύμφωνα με τον εκθετικό νόμο εξασθένισης:

Ι_d= Ι_oe^-μℓ

Βασικές Αρχές Υπολογιστικής (Αξονικής) Τομογραφίας

O γραμμικός συντελεστής μ εξαρτάται από την ενέργεια των ακτινών Χ και από τη σύσταση και την πυκνότητα των επιμέρους ιστών και οργάνων του ανθρωπίνου σώματος

Η ένταση Ι_o είναι γνωστή και συνήθως διατηρείται σταθερή, ενώ η ένταση Ι_d μπορεί να μετρηθεί. Συνεπώς είναι δυνατός ο προσδιορισμός της χωρικής κατανομής του συντελεστή εξασθένισης μ των ακτινών Χ (και κατ’επέκταση της πυκνότητας του σώματος σ’ ένα δισδιάστατο επίπεδο), και η αναπαράσταση της ανατομίας του, με μετρήσεις της εξερχόμενης έντασης Ι_d σε διάφορες ακτίνες προβολής.

Η τομογραφική εικόνα εμφανίζεται με διαβαθμίσεις του γκρι που αντιστοιχούν σε διαβαθμίσεις της τιμής του συντελεστή εξασθένισης.

Βασικές Αρχές Υπολογιστικής (Αξονικής) Τομογραφίας

Έστω ότι μπορούμε να χωρίσουμε θεωρητικά την τομή σε πολύ μικρά τετραγωνίδια, και να θεωρήσουμε το καθένα απ’αυτά σαν μία στοιχειώδη μονάδα-κυψέλη (pixel).

Κάθε τομή θα πρέπει να αποτελείται από πολλές δεκάδες χιλιάδες τέτοιων στοιχειωδών τετραγωνιδίων που όλα μαζί σχηματίζουν τελικά ένα πυκνό πλέγμα που καλείται μήτρα (matrix).

Για κάθε στοιχειώδες τετραγωνίδιο-κυψέλη της μήτρας της τομής υπολογίζεται ο αντίστοιχος συντελεστής εξασθένησης

Όταν συγκεντρωθούν όλες οι τιμές των συντελεστών εξασθένησης από κάθε τετραγωνίδιο της τομής, ο υπολογιστής ανασυνθέτει την εικόνα της τομής.

Βασικές Αρχές Υπολογιστικής (Αξονικής) Τομογραφίας

Ας θεωρήσουμε ότι μία δέσμη ακτινών Χ η οποία θα συναντήσει μία σειρά από ν στοιχειώδης κυψέλες. Η ένταση δηλαδή της διερχόμενης ακτινοβολίας η οποία εγκαταλείπει την τελευταία κυψέλη με συντελεστή εξασθένισης μν θα ισούτε με:

Ι_ν=Ι_οe^{-(μ1+μ2+…+μν) α} , όπου α, το μήκος που διανύει η δέσμη μέσα σε κάθε κυψέλη από το οποίο για όλες τις κυψέλες είναι ίδιο.

Μετρούμε τα μεγέθη Ι_ν και Ι_ο και έτσι έχουμε μια εξίσωση που έχει (ν) αγνώστους τους μ1, μ2, μ3 ….μν . Για να υπολογιστούν όμως οι συντελεστές αυτοί απαιτούνται ισάριθμες εξισώσεις.

Για να πάρουμε πολλές εξισώσεις, η τομή σαρώνεται από πολλές διευθύνσεις.

Ι_ο

Ι_ν

Βασικές Αρχές Υπολογιστικής (Αξονικής) Τομογραφίας

Για την κατανόηση του υπολογισμού των συντελεστών εξασθένησης όλων των στοιχειωδών μονάδων, απ’ τις οποίες αποτελείται η μήτρα μιας εξεταζόμενης τομής ας θεωρήσουμε ότι η τομή αποτελείται από 4 μόνο στοιχειώδεις μονάδες.

Για να βρεθούν οι τιμές αυτές απ’ τον υπολογιστή το σύστημα σαρώνει τις στοιχειώδεις αυτές μονάδες από διαφορετικές κατευθύνσεις. Έστω από τα αποτελέσματα των σαρώσεων αυτών προκύπτουν οι ακόλουθες εξισώσεις:

μ1+μ2=30, μ3+μ4=70, μ1+μ3=40, και μ2+μ4=60, μ1+μ4=60

Έτσι στο παράδειγμά μας σχηματίζεται ένα σύστημα τουλάχιστον 5 εξισώσεων που εύκολα μπορούν να λυθούν με μαθηματική ανάλυση, και να βρεθούν οι αντίστοιχοι ζητούμενοι άγνωστοι συντελεστές εξασθένησης για κάθε τετραγωνίδιο.

40

60

60

30

70

Βασικές Αρχές Υπολογιστικής (Αξονικής) Τομογραφίας

Είδαμε ότι κάθε στοιχειώδη κυψέλη μήτρας μιας εξεταζόμενης τομής πρέπει να ακτινοβοληθεί από πολλές κατευθύνσεις (γωνίες) και μάλιστα κάθε φορά σε συνδιασμό με διαφορετικές γειτονικές στοιχειώδης κυψέλες.

Αυτός άλλωστε είναι και ο λόγος για τον οποίο στην μέθοδο αυτή είναι απαραίτητη η κυκλική σάρωση, προκειμένου απ’τις χιλιάδες αυτές μετρήσεις που εκτελούνται να προκύψουν τόσες εξισώσεις όσοι (τουλάχιστον) είναι οι άγνωστοι συντελεστές εξασθένησης (μ) των στοιχειωδών περιοχών της τομής.

• Για τις παραπάνω ανακατασκευές εικόνων με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή χρησιμοποιούνται αναλυτικοί αλγόριθμοι ανακατασκευής αλλά και επαναληπτικές μέθοδοι όπως η μέθοδος της αλγεβρικής ανακατασκευής

Βασικές Αρχές Υπολογιστικής (Αξονικής) Τομογραφίας

Οι βασικές αρχές κωδικοποιούνται ως εξής:

• Ένα τρισδιάστατο αντικείμενο μπορεί να αντικατασταθεί από ένα σύνολο δισδιάστατων τομών
• Οι δομές μιας δισδιάστατης τομής μπορούν να ανακατασκευαστούν από πολλαπλές προβολές της τομής, που λαμβάνονται με την βοήθεια των ακτίνων Χ από διαφορετικές γωνίες.
• Το μετρήσιμο μέγεθος είναι η εξασθένιση των ακτίνων Χ που διέρχονται από τους ιστούς
• Κάθε τομή αποτελείται από ένα πίνακα δεδομένων (σε ψηφιακή μορφή) εξασθενίσεως των ακτίνων Χ, που αντιστοιχούν στους διαφορετικούς ιστούς της τομής.

Παράδειγμα τομών της θωρακικής κοιλότητας

Εφαρμογές Υπολογιστικής Τομογραφίας

• Του κεντρικού νευρικού συστήματος (εγκέφαλος και νωτιαίος μυελός)
• Των οργάνων του θώρακος (πνεύμονα, κακοήθης διόγκωση των λεμφαδένων του μεσοθωρακίου)
• Της άνω κοιλίας (κακοήθης διήθηση του ύπατος)

Η υπολογιστική τομογραφία εφαρμόζεται για τη διάγνωση ανατομικών ανωμαλιών:

“Παράλληλα με την ραγδαία εξέλιξη των υπολογιστικών συστημάτων και την ανακάλυψη του αξονικού (υπολογιστικού) τομογράφου, η συμβίωση της Φυσικής με την Ιατρική Επιστήμη προχωρεί αλματωδώς, εκμεταλλευόμενη τις αρχές αλληλεπίδρασης διαφόρων μορφών ενέργειας με την ύλη. Έτσι κατασκευάζονται ολοκληρωμένα συστήματα απεικόνισης και ανακατασκευής εικόνας -με τη βοήθεια Η/Υ- από τις διάφορες τομές που λαμβάνονται κάθε φορά από το υπό εξέταση όργανο”

Μαγνητική Τομογραφία

Η μέθοδος της μαγνητικής τομογραφίας αναπτύχθηκε και καθιερώθηκε ως μία σημαντική ιατρική απεικονιστική τεχνική τη δεκαετία του 1980.

Η απεικονιστική τεχνική της εκμεταλλεύεται το φαινόμενο το μαγνητικού συντονισμού των πυρήνων στοιχείων που βρίσκονται στον ανθρώπινο οργανισμό.

Οι σημερινές εφαρμογές της μαγνητικής τομογραφίας βασίζονται κυρίως στη διέγερση του πυρήνα του Υδρογόνου ο οποίος έχει μόνο ένα πρωτόνιο που περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του και συμπεριφέρεται ως στοιχειώδης μαγνήτης (spin).

Η χρησιμοποίηση των πρωτονίων του υδρογόνου γίνεται κυρίως λόγω της υψηλής συγκέντρωσης του υδρογόνου στον ανθρώπινο οργανισμό.

Μαγνητική Τομογραφία

Τα spin των πρωτονίων είναι αυθαίρετα προσανατολισμένα

Συνολική Μαγνήτιση Μ=0

Μαγνητική Τομογραφία

Με την επιβολή Εξωτερικού Μαγνητικού Πεδίου τα spin των πρωτονίων τείνουν να ευθυγραμμιστούν παράλληλα (ή αντι-παράλληλα) προς την διεύθυνση του πεδίου

Μαγνητική Τομογραφία

Στην κατάσταση ισορροπίας η συνολική μαγνήτιση Μ όλων των πρωτονίων έχει μόνο διαμήκη συνιστώσα.

Για την μεταβολή από την κατάσταση ισορροπίας χρησιμοποιείται ένας παλμός ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων (RF pulse), οπότε τα πρωτόνια απορροφούν ενέργεια και μεταβάλουν το άνυσμα της μαγνήτισής τους η οποία αποκτά τώρα μια εγκάρσια συνιστώσα.

Μαγνητική Τομογραφία

Μετά το πέρας της εφαρμογής παλμού RF, το σύστημα των πρωτονίων επανέρχεται στην κατάσταση ισορροπίας.

Η μεταπτωτική μεταβολή της μαγνήτισης δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο παράγει ραδιοκύματα που αποσβένονται με την επαναφορά της αρχικής μαγνήτισης. Το πόσο ισχυρό είναι το επαγόμενο σήμα εξαρτάται κυρίως:

Α) Το χρόνο Τ1 (χρόνος που απαιτείται για την επαναφορά της διαμήκους συνιστώσας)

Β) Το χρόνο Τ2 (χρόνος που απαιτείται για την επαναφορά της εγκάρσιας συνιστώσας)

Οι χρόνοι Τ1, Τ2, εξαρτώνται από την σύσταση των ιστών. Έτσι κάθε MRI τομή αποτελείται από ένα πίνακα δεδομένων σε ψηφιακή μορφή χρόνων αποκατάστασης της μαγνήτισης, που αντιστοιχούν στους διαφορετικούς ιστούς της τομής.

Μαγνητική Τομογραφία

Η μαγνητική τομογραφία βρίσκει εφαρμογή στην απεικόνιση ανατομικών ανωμαλιών και κυρίως των μαλακών μορίων όπως:

• Το κεντρικό νευρικό σύστημα (εγκέφαλος και νωτιαίος μυελός)
• Τα μεγάλα αγγεία (αορτικό τόξο, θωρακική αορτή, και κοιλιακή αορτή)
• Τα μαλακά μόρια (μύες)
• Οι αρθρώσεις (αρθρική κοιλότητα-σύνδεσμοι)
• Ο θώρακας

Παράδειγμα 3D απεικόνισης άρθρωσης

Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET)

“Η διαγνωστική αξία της απεικονιστικής τεχνικής PET πηγάζει από το γεγονός ότι παρέχει τόσο ανατομικές (ιστολογικές) όσο και λειτουργικές (μεταβολικές) πληροφορίες με αποτέλεσμα να μπορεί να διαγνώσει έγκαιρα παθολογικές καταστάσεις, που προκαλούν διαταραχές πρώτα σε λειτουργικό και στη συνέχεια σε ανατομικό επίπεδο.”

Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων/Λειτουργία της εκπομπής ποζιτρονίων

• Χορήγηση ραδιοφαρμάκου (μικρή ποσότητα ραδιενεργού ισοτόπου ενωμένη με ουσία που μεταβολίζει ο ανθρώπινος οργανισμός π.χ γλυκόζη)
• Επιλεγμένη συγκέντρωση ραδιοφαρμάκου στην περιοχή ενδιαφέροντος (ο μεταβολίτης δεσμεύεται σε διαφορετικές ποσότητες ανάλογα το είδος του ιστού )
• Διάσπαση ραδιοφαρμάκου και εκπομπή ποζιτρονίου
• Αλληλεπίδραση ποζιτρονίου με ηλεκτρόνιο (φαινόμενο εξαΰλωσης)
• Δημιουργία ακτίνων- γ

Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων/Λειτουργία της εκπομπής ποζιτρονίων

Ανιχνευση ακτινοβολίας γ από ανιχνευτές: Οι ακτίνες γ που προήλθαν από την εξαϋλωση ποζιτρονίου-ηλεκτρονίου, διαπερνούν τους ιστούς του σώματος και προσπίπτουν στους ανιχνευτές που περιβάλλουν τον ασθενή. Κάθε φορά που ενεργοποιούνται δύο ανιχνευτές, καταγράφεται ένα γεγονός εξαϋλωσης, το οποίο συνέβη κατά μήκος της γραμμής που συνδέει τους δύο ανιχνευτές.

Ανακατασκευή τομογραφικής εικόνας: Όταν η συλλογή των δεδομένων ολοκληρωθεί από τους ανιχνευτές, εφαρμόζονται ειδικοί αλγόριθμοι υπολογιστικής τομογραφίας στον Η/Υ για την ανακατασκευή της εικόνας, η οποία είναι ένας χάρτης της κατανομής του ραδιοφαρμάκου στο επίπεδο τομής του σώματος.

Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων/Εφαρμογές

Διαγνωστικές Εφαρμογές:

• Οι εγκεφαλονευρικές παθήσεις (νόσος Parkinson, Alzheimer)
• Η εκτίμηση όγκων για αποφυγή βιοψιών ή και αναποτελεσματικών χημειοθεραπειών
• Παρακολούθηση και εκτίμηση χημειοθεραπείας

(πώς μεταβολίζει ο όγκος μετά την χημειοθεραπεία)

Επειδή η κατανομή του χορηγούμενου στον άνθρωπο ραδιοφαρμάκου εξαρτάται από τις βιοκινητικές του ιδιότητες και τη φυσιολογική ή μη κατάσταση της περιοχής ενδιαφέροντος, η τομογραφική εικόνα PET παρέχει πληροφορίες για την ανατομία και τη λειτουργία στη συγκεκριμένη περιοχή του ανθρώπου.

Τομογραφία υπερήχων ή υπερηχωματογραφία

Η τομογραφία υπερήχων είναι μία απεικονιστική τεχνική που στηρίζεται στην αλληλεπίδραση υπερήχων με βιολογικούς ιστούς.

Ο ήχος είναι μία μηχανική διαταραχή (ταλάντωση) των μορίων ενός μέσου που διαδίδεται με σταθερή ταχύτητα και έχει συχνότητα ταλάντωσης έστω f.

Ο υπέρηχος είναι ο ήχος με συχνότητα f>20kHz

Το σήμα των υπερήχων παράγεται και ανιχνεύεται από τον μετατροπέα (tranducer), ο οποίος μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε ηχητικό και αντίστροφα.

Τομογραφία υπερήχων ή υπερηχωματογραφία

• Η αλληλεπίδραση των υπερήχων με τους βιολογικούς ιστούς μπορεί να μελετηθεί με τα φυσικά φαινόμενα της ανάκλασης, της σκέδασης, της διάθλασης και της απορρόφησης της υπερηχητικής δέσμης στους ιστούς αυτούς.

​

• Το ανακλώμενο κύμα ονομάζεται ηχώ

​

• Το πλάτος της ηχούς επηρεάζει (διαμορφώνει) τη φωτεινότητα της προκύπτουσας εικόνας

Τομογραφία υπερήχων/ Τεχνική Doppler

Η τεχνική Doppler είναι μία από τις τεχνικές απεικόνισης με υπερήχους.

Στην τεχνική αυτή γίνεται χρήση του φαινομένου Doppler, με βάση το οποίο υπολογίζεται η ταχύτητα ενός κινούμενου στόχου από τη διαφορά της συχνότητας του υπερηχητικού σήματος πριν και μετά την αλληλεπίδραση με το στόχο.

Μια κοινή εφαρμογή της τεχνικής Doppler είναι η εκτίμηση της ροής του αίματος και των διαταραχών αυτής (π.χ. στη καρδιά και γενικά σε περιοχές στενώσεων)

Tομογραφία Υπερήχων/ Πλεονεκτήματα

• Δεν χρησιμοποιεί ιοντίζουσα ακτινοβολία
• Δυναμική απεικόνιση των οργάνων του σώματος
• Διαδικασία σάρωσης, που είναι γρήγορη και άνετη στον ασθενή
• Χαμηλό κόστος
• Ευκολία χρήσης και μεταφοράς

Ενδοσκοπικές Απεικονίσεις

Με την ενδοσκόπηση εξειδικευμένος γιατρός μπορεί να εξετάσει το εσωτερικό οργάνων και κοίλων περιοχών του ανθρωπίνου σώματος με ειδικό ιατρικό όργανο που λέγεται ενδοσκόπιο.

Συνήθως, το ενδοσκόπιο εισάγεται με μεγάλη προσοχή στο εσωτερικό του ανθρωπίνου σώματος διαμέσου μιας φυσικής διόδου (π.χ στόματος, της ουρήθρας ή του πρωκτού) ή μιας μικρής διατομής διαμέσου του δέρματος.

Ενδοσκοπικές Απεικονίσεις

Τα σύγχρονα ενδοσκόπια είναι λεπτά και εύκαμπτα για να μπορούν να προωθούνται σε στενές διόδους. Έχουν ενσωματωμένες οπτικές ίνες και video camera για να φωτίζεται και να εμφανίζεται σε εξωτερική οθόνη η περιοχή από όπου περνούν.

Είναι επίσης εξοπλισμένα με μικροσκοπικά χειρουργικά εργαλεία. Με τα ενδοσκόπια ο γιατρός μπορεί να δει το εσωτερικό οργάνων, να διαγνώσει τυχόν ύπαρξη επικίνδυνων μορφωμάτων και να προβεί σε επέμβαση αφαίρεσής τους επί τόπου.

Ενδοσκοπικές Απεικονίσεις

• Να δει παθολογικές ή τραυματικές βλάβες στο εσωτερικό του ανθρωπίνου σώματος
• Να πάρει δείγματα για βιοψίες
• Να εντοπίζει ξένα αντικείμενα μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό
• Να χρησιμοποιεί περαιτέρω την ενδοσκόπιση για την διεξαγωγή λεπτών εγχειρήσεων στο εσωτερικό του ανθρωπίνου σώματος, χωρίς την ανάγκη διάνοιξης μεγάλων τομών.

Με την ενδοσκόπηση ο γιατρός μπορεί:

Ενδοσκοπικές Απεικονίσεις / Ασύρματη ενδοσκόπηση

Υπολογιστική Μικροσκοπία

Σύστημα Οπτικού Μικροσκοπίου για τη μελέτη δειγμάτων βιολογικών ιστών (βιοψιών )

Σύστημα Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου για τη μελέτη υποκυτταρικών δομών

Απεικόνιση Αμφιβληστροειδούς

Ψηφιακές Ιατρικές Εικόνες

Κατά τη διαδικασία λήψεως οιαδήποτε ιατρικής απεικόνισης, με τη βοήθεια αλληλεπίδρασης μιας μορφής ενέργειας στην ύλη του ανθρωπίνου σώματος προκύπτουν τελικώς εικόνες οι οποίες σήμερα είναι τεχνολογικά ψηφιακές εικόνες

Η δυνατότητα για ψηφιοποίηση των εικόνων ξεκίνησε από την αρχή της δεκαετίας του ’80, οπότε άρχισαν και οι ταχύτατες εξελίξεις στο χώρο της ιατρικής απεικόνισης

Τι είναι ψηφιακή εικόνα🡪Πίνακας με αριθμούς

Οι ψηφιακές εικόνες αποτελούνται από κουκίδες ή εικονοστοιχεία (pixels). Ο αριθμός των pixels που συγκροτούν την ψηφιακή εικόνα εξαρτάται από την ανάλυση (μήτρα) στην οποία αυτή απεικονίζεται. Όσο μεγαλύτερη είναι η μήτρα απεικόνισης τόσο μεγαλύτερη είναι η γεωμετρική ανάλυση ώστε να είναι δυνατή η παρατήρηση πολύ μικρών λεπτομερειών της εικόνας

Τι είναι βάθος χρώματος εικόνας

Κάθε pixel απεικονίζεται στην οθόνη του υπολογιστή ως συγκεκριμένη διαβάθμιση-απόχρωση του γκρίζου.

Για παράδειγμα τα συστήματα ψηφιακής ακτινογραφίας χρησιμοποιούν για την τελική απεικόνιση ενός και μόνο pixel

8, 10 ,12 ή 16 bits. Δηλαδή εκθέτουν την εικόνα με 2⁸=256, 2¹⁰=1024, 2¹²=4096 ή 2¹⁶=65536 διαφορετικές διαβαθμίσεις του γκρίζου.

Ο αριθμός των bits που απαιτείται στην απεικόνιση του pixel ονομάζεται βάθος pixel ή βάθος χρώματος της εικόνας

Παραδείγματα διαβαθμίσεων του γκρίζου

Το ανθρώπινο μάτι μπορεί να διακρίνει σε ασπρόμαυρες εικόνες το πολύ μέχρι 50 διαφορετικές διαβαθμίσεις του γκρίζου. Στην πρώτη λωρίδα παρουσιάζονται 64 διαβαθμίσεις (δύσκολα διακρίνονται μεταξύ τους) από το μαύρο ως το λευκό, ενώ στη δεύτερη 16.

Τι είναι βάθος χρώματος εικόνας

Παράδειγμα: Έστω ψηφιακή εικόνα με διαστάσεις 512x512 και βάθος χρώματος 8 bits:

Η μήτρα απεικόνισης της εικόνας αποτελείται από 512Χ512 =262144 εικονοστοιχεία (pixels). Για την απεικόνιση των εικονοστοιχείων χρησιμοποιούνται 2⁸=256 διαβαθμίσεις του γκρίζου. Τα λευκά εικονοστοιχεία αντιστοιχούν στο 255 ενώ τα μαύρα στο 0.

Για την αποθήκευση της εικόνας αυτής στον υπολογιστή μας χρειάζονται : 512Χ512Χ8 bits ή 512Χ512 bytes (8 bits αποτελούν 1 byte)

Τι είναι βάθος χρώματος εικόνας

Στην περίπτωση όπου έχουμε έγχρωμη εικόνα κάθε pixel απεικονίζεται με μία τριπλέτα τιμών βάση του χρωματικού μοντέλου RGB (red, green, blue).

Παράδειγμα: Έστω 512Χ512 ψηφιακή εικόνα με βάθος χρώματος 24 bits:

Έγχρωμη εικόνα για την οποία χρησιμοποιούνται 8 bits (2⁸=256 διαβαθμίσεις) για κάθε χρωματικό κανάλι.

Για την αποθήκευση της εικόνας αυτής στον υπολογιστή μας χρειάζονται

512Χ512Χ8Χ3 bits, ή 512Χ512Χ3 bytes.

Ποιότητα Ψηφιακής Εικόνας

Η ποιότητα μιας εικόνας εξαρτάται από την πυκνότητα των εικονοστοιχείων και τον αριθμό των διαβαθμίσεων των χρωμάτων που έχουν χρησιμοποιηθεί.

Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα των εικονοστοιχείων (δηλαδή η ανάλυση της εικόνας που εκφράζεται σε pixels per inch-ppi) και όσο περισσότερα τα χρησιμοποιούμενα χρώματα (δηλαδή το βάθος χρώματος της εικόνας που εκφράζεται σε bits per pixels), τόσο πιο ρεαλιστική θα είναι η αναπαραγόμενη εικόνα

Παράμετροι ποιότητας μιας εικόνας

• Χωρική Διακριτική Ικανότητα (που χαρακτηρίζεται από το πόσο καλά μπορούν να διακρίνονται γειτονικά σημεία)
• Διακριτική ικανότητα αντίθεσης (που χαρακτηρίζεται από το πόσο καλά διακρίνονται οι διαφορές έντασης)
• Χρονική Διακριτική ικανότητα (που χαρακτηρίζεται από το πλήθος των εικόνων ανά χρονική αλληλουχία)

• Χρειάζονται 30 εικόνες ανά sec για οπτικοποίηση σε πραγματικό χρόνο

1062Χ1188

266Χ297

Υπολογιστές στην Ιατρική Απεικόνιση

(μέρος B)

Οι υπολογιστές εφαρμόζονται στην ιατρική απεικόνιση για να:

• Κατασκευάσουν μια εικόνα από μετρήσεις
• Παρουσιάσουν, αποθηκεύσουν και να ανακτήσουν εικόνες (τρισδιάστατη απεικόνιση, και επιλογή τομής)
• Επεξεργαστούν τις εικόνες και να βελτιώσουν την εμφάνιση του περιεχομένου τους.
• Απομονώσουν περιοχές ενδιαφέροντος και να εξάγουν ποσοτικές μετρήσεις σε αυτές
• Ταξινομήσουν το περιεχόμενο της εικόνας και να δώσουν ερμηνεία (ιατρική απόφαση)

Βασικές αρχές επεξεργασίας ψηφιακής εικόνας

• Προεπεξεργασία (pre-processing): Βοηθητικές διαδικασίες για τη βελτίωση της ποιότητας των δεδομένων. (απομάκρυνση θορύβου, βελτίωση φωτεινότητας, αντίθεσης, ανάδειξη περιοχών ενδιαφέροντος)
• Εξαγωγή δομών ενδιαφέροντος-Τμηματοποίηση (Segmentation): Διαδικασίες με στόχο τον προσδιορισμό ανατομικών δομών ενδιαφέροντος
• Ανάλυση και αναγνώριση: Διαδικασίες υψηλού επιπέδου για την ποσοτικοποίηση της μορφολογικής και λειτουργικής πληροφορίας ενός συστήματος και την ταυτοποίηση συγκεκριμένων δομών

Ο σκοπός της επεξεργασίας των ψηφιακών εικόνων είναι να βελτιωθεί η εμφάνισή τους για την καλύτερη παρατήρησή τους από τον άνθρωπο ή να προετοιμαστούν για την αυτόματη αναγνώριση και τη μέτρηση των χαρακτηριστικών δομών που υπάρχουν σε αυτή.

Οι βασικές διαδικασίες ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας είναι:

Βασικές αρχές επεξεργασίας ψηφιακής εικόνας/ Προεπεξεργασία

Βελτίωση αντίθεσης

Απομάκρυνση θορύβου

Αποκατάσταση - όξυνση εικόνας

Η βελτίωση εικόνας (image enhancement) είναι μια κατηγορία μεθόδων που εφαρμόζονται για την αύξηση της ορατότητας (visibility) μιας περιοχής ή μιας δομής

της εικόνας, έτσι ώστε να είναι εγκυρότερες οι εξαγόμενες πληροφορίες και ευκολότερη η εφαρμογή άλλων τεχνικών

Βελτιστοποίηση εικόνας (Image Enhancement)

• Λειτουργίες Σημείου-Point operations: Τα εικονοστοιχεία της εικόνας εξόδου μετασχηματίζονται με βάση τις τιμές τους στην εικόνα εισόδου (π.χ αύξηση μείωση της φωτεινότητας ή της αντίθεσης σε μία εικόνα Μετασχηματισμός Παραθύρου)

​

• Λειτουργίες Γειτονιάς-Local operations: Τα εικονοστοιχεία της εικόνας εξόδου μετασχηματίζονται με βάση τις τιμές της γειτονιάς που αυτά ορίζουν στην εικόνα εισόδου

(π.χ εφαρμογή φίλτρων συνέλιξης)

Οι μονάδες Hounsfield* λαμβάνονται από έναν γραμμικό μετασχηματισμό των μετρούμενων συντελεστών εξασθένησης μ

Αυτός ο μετασχηματισμός βασίζεται στις αυθαίρετα καθορισμένες τιμές μ για τον αέρα και το καθαρό νερό σε θερμοκρασία 0 °C και πίεση 10 ⁵  pascals  (στάθμη της θάλασσας).

• μ νερού σε τυπική θερμοκρασία και πίεση (STP) = 0 HU
• μ αέρα σε STP = -1000 HU

​

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια κλίμακα από -1000 HU για τον αέρα έως +~2000 HU για πολύ πυκνό οστό ( κοχλίας ) και πάνω από 3000 για μέταλλα  . 

Γενικά, οι εικόνες CT, χρησιμοποιούν εικόνες 12-bit που μπορούν να αποθηκεύσουν τιμές μεταξύ −1024 και 3071. Ο τρόπος εμφάνισης αυτών των τιμών στη συνέχεια καθορίζεται από την εφαρμογή συγκεκριμένων  τιμών παραθύρου και επιπέδου .

* Οι μονάδες Hounsfield έχουν πάρει το όνομά τους από τον νομπελίστα εφευρέτη του CT τον Sir Godfrey Newbold Hounsfield

Η σημασία του Μετασχηματισμού Παραθύρου:

Οι εικόνες DICOM περιέχουν συνήθως μεταξύ 12–16 bit/pixel, που αντιστοιχεί περίπου σε 4.096 έως 65.536 αποχρώσεις του γκρι. Οι περισσότερες ιατρικές οθόνες και οι κανονικές οθόνες υπολογιστών συχνά περιορίζονται σε 8 bit ή 256 αποχρώσεις του γκρι. Υπάρχουν ιατρικές οθόνες υψηλής ποιότητας που μπορούν να εμφανίσουν 1024 αποχρώσεις του γκρι (όπως αυτές που έχουν βελτιστοποιηθεί για μαστογραφία).

Ωστόσο, ακόμη και με μια οθόνη υπολογιστή που μπορεί να εμφανίσει 256 αποχρώσεις του γκρι τα μάτια μας μπορούν συνήθως να ανιχνεύσουν μόνο μια αλλαγή 6% στην κλίμακα του γκρι. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε συνήθως να ανιχνεύσουμε μόνο περίπου 100/6 = 17 αποχρώσεις του γκρι.

Η κλίμακα Hounsfield των αριθμών CT

Οι περισσότερες εικόνες απαιτούν προβολή μεταξύ -1000 HU (που είναι αναφορά για τον αέρα) και +1000 HU (που συνήθως αναφέρεται σε σκληρό οστό).

Έτσι, μια εικόνα DICOM μπορεί να έχει εύρος περίπου 2000 HU (από -1000 HU έως +1000 HU) και αν θέλαμε να εμφανίσουμε αυτό το εύρος σε μια οθόνη υπολογιστή που μπορεί να εμφανίσει μόνο 256 αποχρώσεις του γκρι, τότε κάθε απόχρωση του γκρι θα είχε μια διαφορά 8 HU (2000/256 = 8).

Το ανθρώπινο μάτι μπορεί να ανιχνεύσει μόνο μια αλλαγή 6% στην κλίμακα του γκρι, έτσι ώστε οι άνθρωποι να ανιχνεύσουν μια διαφορά στις πυκνότητες (εντός του εύρους εικόνας των 2000 HU), κάθε παραλλαγή πρέπει να ποικίλλει κατά: 256/17∗8=120 HU. 

Η διαφορά μεταξύ φυσιολογικού και παθολογικά αλλοιωμένου ιστού είναι συνήθως πολύ μικρότερη από 120 HU και αυτός είναι ο λόγος που η εφαρμογή  «Παραθύρου» (windowing) είναι σημαντική.

Ρύθμιση επιπέδου παραθύρου (L)

To κέντρο L=300 βελτιστοποιεί την ικανότητά επισκόπησης πυκνών οστών.

To κέντρο L=-500 βελτιστοποιεί την ικανότητά επισκόπησης δομών που περιέχουν αέρα

Διαφορετική επιλογή των παραμέτρων W,L επηρεάζουν δραματικά την εμφάνιση των εικόνων. Τυπικά παράθυρα για την επισκόπηση διαφορετικών δομών προ-επιλέγονται από το λογισμικό που χρησιμοποιούν οι ακτινολόγοι.

Η αύξηση του πλάτους του παραθύρου θα ΜΕΙΩΣΕΙ την αντίθεση της εικόνας: καθώς αυξάνεται το πλάτος του παραθύρου, απαιτείται μεγαλύτερη αλλαγή στην πυκνότητα για να αλλάξει η απόχρωση του γκρι στις εικόνες μελέτης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια της αντίθεσης καθώς περισσότερες δομές θα φαίνονται παρόμοιες (παρόλο που έχουν διαφορετικές πυκνότητες).

Η μείωση του πλάτους του παραθύρου θα ΑΥΞΗΣΕΙ  την αντίθεση της εικόνας:  καθώς μειώνεται το πλάτος του παραθύρου, μια μικρότερη αλλαγή στην πυκνότητα θα έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή του χρώματος στις εικόνες μελέτης. Αυτό θα δώσει αυξημένη αντίθεση καθώς οι δομές με κοντινή πυκνότητα θα έχουν διαφορετικές αποχρώσεις του γκρι.

Προσαρμογή του πλάτους του παραθύρου

​

Εφαρμογή χωρικών φίλτρων: Λειτουργία της συνέλιξης

=0*2-1*2+0*2-1*2+3*5-1*2+0*2-1*2+0*2

=0*2-1*2+0*2-1*2+1*5-1*2+0*2-1*2+0*2

Εφαρμογή φίλτρου όξυνσης των περιγραμμάτων-ακμών (high-pass filter)

Παράδειγμα εφαρμογής Low-pass, High-pass φίλτρου

​

Εφαρμογή φίλτρου Median φίλτρου (Μη γραμμικό φίλτρο*):

Απομάκρυνση “θορύβου” με διατήρηση της οξύτητας των ακμών

Το φίλτρο είναι ιδιαίτερα δραστικό στην απομάκρυνση μη τυχαίου θορύβου

* Μη γραμμικό φίλτρο: Οι τιμές εξόδου (φιλτραρισμένη εικόνα) δεν προέρχονται από κάποιο γραμμικό μετασχηματισμό των τιμών εισόδου όπως στην περίπτωση των φίλτρων συνέλιξης.

​

Βασικές αρχές επεξεργασίας ψηφιακής εικόνας/ Τμηματοποίηση

Η κατάτμηση ή τμηματοποίηση εικόνας (image segmentation) είναι το στάδιο επεξεργασίας, όπου διαχωρίζεται η εικόνα στα συστατικά της μέρη ή αντικείμενα για την καλύτερη ανάλυσή τους. Οι αλγόριθμοι, που εφαρμόζονται στον Η/Υ, στηρίζονται στην απότομη μεταβολή των τιμών των εικονοστοιχείων ή στις κοινές χρωματικές ιδιότητες που παρουσιάζουν εκείνα τα εικονοστοιχεία της εικόνας που ανήκουν στην ίδια κλάση ή στο ίδιο αντικείμενο.

Τμηματοποίηση εικόνων Παραδείγματα

Βασικές αρχές επεξεργασίας ψηφιακής εικόνας/ Ανάλυση και αναγνώριση

Η ανάλυση των ψηφιακών εικόνων σχετίζεται με την περιγραφή και την αναγνώριση του περιεχομένου μιας εικόνας.

Οι τεχνικές ανάλυσης εικόνας σκοπεύουν στην πραγματοποίηση ποσοτικών μετρήσεων σε μια εικόνα και στην εφαρμογή ειδικών αλγορίθμων ταξινόμησης με σκοπό τον αυτόματο διαχωρισμό (χαρακτηρισμό) του περιεχομένου της εικόνας και την αυτόματη παραγωγή ερμηνείας. Τα συστήματα αυτά στη βιβλιογραφία ονομάζονται computer aided diagnosis systems: CAD systems

Τα χαρακτηριστικά που μπορούν να εξαχθούν και να βοηθήσουν στην αναγνώριση των αντικειμένων της για παράδειγμα είναι:

• Χαρακτηριστικά χρώματος/ έντασης του γκρίζου
• Χαρακτηριστικά σχήματος (μέγεθος, περίμετρος, κυκλικότητα, καμπυλότητα, συμμετρία και άλλα…)
• Χαρακτηριστικά υφής, που κωδικοποιούν την μεταβολή της έντασης των εικονοστοιχείων σε μια περιοχή της εικόνας (τραχιά ή λεπτή υφή).

Συστήματα αυτόματης αναγνώρισης και χαρακτηρισμού περιοχών ενδιαφέροντος:

Computer Aided Diagnosis systems (CAD)

https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2020.103629

CAD system

Διαφοροποιήσεις σε σχήμα και υφή (χαρακτηριστικά του όγκου) και η συσχέτισή τους με τον χρόνο επιβίωσης

CAD system

Ολοκληρωμένο Σύστημα Ανάλυσης Ιατρικής Εικόνας για τη λήψη Ιατρικής Απόφασης �’90s Computer Aided Diagnosis systems (CAD)

Today: Whole slide microscopy

Εφαρμογές αλγορίθμων βαθιάς εκμάθησης –deep learning

CAD: 1960 - 2017

CAD: 2017 - σήμερα

• Συστήματα που βοηθούν τους γιατρούς στην ερμηνεία ιατρικών εικόνων (αυτόματη διάγνωση CADx)
• Επεξεργασία ψηφιακών εικόνων και επισήμανση ευδιάκριτων τμημάτων (αυτόματος εντοπισμός CADe)

Ένα δίκτυο βαθιάς εκμάθησης εκπαιδεύεται να αναγνωρίζει τα χαρακτηριστικά που χρειάζεται από την εικόνα για να αναγνωρίσει το περιεχόμενο της εικόνας

75

Υπολογιστικά συστήματα υποστήριξης ιατρικής απόφασης (Computer-Aided Diagnosis systems)

CAD: 1960 - 2017

CAD: 2017 - σήμερα

-OMICS

-Omics: είναι όρος προερχόμενος από την βιολογία και χρησιμοποιείται για να περιγράψει λεπτομερή χαρακτηριστικά βιολογικών μορίων όπως

• DNA (genomics),
• RNA (transcriptomics),
• πρωτεϊνών (proteinomics),
• μεταβολιτών (metabolomics)

…

O όρος σήμερα γενικά χρησιμοποιείται σε πεδία ιατρικής έρευνας που παράγουν πολύπλοκα δεδομένα, όπου ένα αντικείμενο αντιπροσωπεύεται με ένα διάνυσμα χαρακτηριστικών μεγάλης διάστασης.

Για παράδειγμα η περιοχή ενός όγκου σε μία απεικονιστική εξέταση μπορεί να περιγραφεί με εκατοντάδες ποσοτικά χαρακτηριστικά που αφορούν το μέγεθος, το σχήμα και την υφή του : Radiomics

Η εξαγωγή βιοδεικτών από radiomics είναι μια καινοτόμος διαδικασία που αξιοποιεί τις προηγμένες τεχνολογίες επεξεργασίας ιατρικών εικόνων για την ανάδειξη κρυφών πληροφοριών που δεν είναι ορατές με γυμνό μάτι. Με την ανάλυση δεδομένων από απεικονιστικές μεθόδους, όπως η αξονική τομογραφία (CT), η μαγνητική τομογραφία (MRI) και η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET), εξάγονται πλήθος ποσοτικών χαρακτηριστικών που σχετίζονται με τη μορφολογία, την υφή και τη διάταξη των ιστών. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιοδείκτες (απεικονιστικοί βιοδείκτες) για τη διάγνωση, την πρόβλεψη της ανταπόκρισης στη θεραπεία και την πρόγνωση των ασθενών. Η εφαρμογή αλγορίθμων μηχανικής μάθησης (πεδίο της τεχνητής νοημοσύνης) ενισχύει την ακρίβεια και την αξιοπιστία της διαδικασίας, καθιστώντας τη μια υποσχόμενη προσέγγιση στην εξατομικευμένη ιατρική.

Radiomics: “οι ιατρικές εικόνες είναι Δεδομένα”�https://doi.org/10.1148/radiol.2015151169

Η σωστή κλινική διαχείριση του ασθενή απαιτεί τον συνδυασμό πληροφοριών από διαφορετικές πηγές σε ένα συνεκτικό μοντέλο ικανό να περιγράψει τη βλάβη με όσο το δυνατό περισσότερα δεδομένα που αφορούν τον εντοπισμό, τη φύση και τη λειτουργία της βλάβης.

Radiomics ξεκινούν με τη λήψη εικόνων υψηλής ποιότητας. Από τις εικόνες εξάγονται περιοχές ενδιαφέροντος (region of interest- ROI), οι οποίες είτε περιέχουν ολόκληρη τη βλάβη είτε υπο-περιοχές εντός αυτής (habitats). Απόδοση της βλάβης σε τρεις διαστάσεις (volume rendering). Από τις περιοχές αυτές εξάγονται ποσοτικές μετρήσεις (feature extraction). Τα δεδομένα αποθηκεύονται σε βάσεις δεδομένων μαζί με άλλα χαρακτηριστικά όπως κλινικά και γονιδιωματικά δεδομένα. Τέλος χρησιμοποιούνται μέθοδοι εξόρυξης δεδομένων (Data mining) για την ανάπτυξη διαγνωστικών ή προγνωστικών μοντέλων.

Τυπική Ροή εργασιών (workflow) ραδιομικής ανάλυσης

RADIO-GENOMICS

Συνδυασμός πληροφορίας

Φαινότυπος-Γονότυπος

Radiogenomics: �Συμβολή στην «Ιατρική Ακριβείας»

«Ιατρική Ακριβείας (Precision Medicine)»: Μοριακοί και άλλοι βιοδείκτες χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της σωστής θεραπείας για τον σωστό ασθενή τη σωστή στιγμή.

​

Ιατρική Ακριβείας: είναι το πεδίο έρευνας που υπόσχεται να δώσει στους κλινικούς ιατρούς νέα εργαλεία, γνώσεις και θεραπείες που επιτρέπουν πιο ακριβή και εξατομικευμένη Φροντίδα.

Η διαθεσιμότητα ισχυρών και επικυρωμένων βιοδεικτών είναι απαραίτητη για την προώθηση της «Ακριβούς Ιατρικής».

Σήμερα γίνονται προσπάθειες σε παγκόσμιο επίπεδο για τη βελτίωση και τη διαθεσιμότητα τέτοιων βιοδεικτών.

Προς αυτή την κατεύθυνση η ιατρική πληροφορική παρέχει τα εργαλεία για την εξαγωγή, διαχείριση, και ανάλυση σημαντικού όγκου δεδομένων.