ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΙΑΤΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ
Πληροφορική Υγείας
ΣΥΝΤΑΚΤΕΣ :
Γκαβούνου Παναγούλα, Γκινοσάτη Βασιλική, Παπαϊωάννου Αλεξάνδρα, Πελτέκη Ελένη-Αργυρούλα (5%)
2011-2012
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Σκοπός της παρακάτω εργασίας είναι να πληροφορήσει και να κάνει κατανοητή τη τόσο σημαντική θέση που έχει πλέον στον τομέα της ιατρικής η Ιατρική Απεικόνιση. Πιο συγκεκριμένα όσον αφορά τον όρο Ιατρική Απεικόνιση θα αναφερθούμε στην ανάλυση και επεξεργασία ιατρικών εικόνων.
Τον 20ο αιώνα εισήχθησαν πολύ σημαντικές τεχνολογικές καινοτομίες στο χώρο της υγείας (αξονική τομογραφία, μαγνητική τομογραφία, υπέρηχοι). Για το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα ούτως ώστε να εξασφαλιστούν με μεγαλύτερη ασφάλεια κάποια ιατρικά μέσα υπάρχουν κάποιες απαιτήσεις. Δυο απ’ αυτές είναι η μείωση κόστους υπηρεσιών υγείας και η αναβάθμιση υπηρεσιών υγείας. Βέβαια υπάρχουν και κάποιες προϋποθέσεις πάνω σ’ αυτές.
Τέλος θα αναφερθούν αναλυτικά πως γίνεται η αξιοποίηση των ιατρικών εικόνων, οι βασικές διαδικασίες ψηφιακής ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνων, ο τρόπος βελτίωσης της ποιότητας των εικόνων καθώς και άλλα θέματα που έχουν σχέση με το θέμα τις εργασίας καθώς και με όσα αναφέρονται σ’ αυτήν.
ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ
Τηλεϊατρική:
Παροχή ιατρικής περίθαλψης -σε περιπτώσεις όπου η απόσταση είναι κρίσιμος παράγοντας -από όλους τους επαγγελματίες του χώρου της Υγείας χρησιμοποιώντας τεχνολογίες πληροφοριών και επικοινωνιών για την ανταλλαγή έγκυρης πληροφορίας για τη διάγνωση, αγωγή και πρόληψη ασθενειών, την έρευνα και ανάλυση, όπως και τη συνεχή εκπαίδευση των επαγγελματιών Υγείας, όλα αυτά στα πλαίσια της αναβάθμισης της Υγείας των ατόμων και των κοινοτήτων τους (Παγκόσμια Οργάνωση Υγείας-Executive board 101st Session, 21 January 1998)
Ανατομικό αντικείμενο:
Κάθε ανατοµική δοµή υπό εξέταση. Μπορεί να είναι
δηλαδή κάποιο συγκεκριµένο όργανο του σώµατος, ένα τεχνικά κατασκευασµένο αντικείµενο (π.χ. µια πρόσθεση οστού ή ένα εκµαγείο που έχει δηµιουργηθεί για τη διεξαγωγή επιστηµονικών πειραµάτων), µία αµιγώς µαθηµατική περιγραφή ενός αντικειµένου όπως είναι ένα ιδεατό µοντέλο εκµαγείου, περιοχές ενός ανατοµικού οργάνου που ενεργοποιούνται έπειτα από κάποιες φυσιολογικές ή άλλες διαδικασίες, ή παθολογικές δοµές µέσα στο ανθρώπινο σώµα όπως είναι ένας όγκος ή µια κύστη.
Σύστημα αντικειμένων:
Ένα σύνολο ανατοµικών αντικειµένων. Για παράδειγµα στη µελέτη του εγκεφάλου ενός ασθενούς, το σύστηµα αντικειµένων µπορεί να αποτελείται από τρία αντικείµενα, τη λευκή και τη φαιά ουσία και το εγκεφαλονωτιαίο υγρό. Τα αντικείµενα ενός συστήµατος µπορεί να είναι και σύνθετου τύπου. Για παράδειγµα, ένα σύστηµα µπορεί να αποτελείται από ένα δυναµικό όργανο και ένα µαθηµατικό εκµαγείο που να προσοµοιώνει ένα στατικό αντικείµενο, καθώς και µία πρόσθεση.
Περιοχή σώματος:
Είναι µια πεπερασµένη περιοχή στον 3D χώρο όπου βρίσκεται ένα
σύστηµα αντικειµένων, δηλ. η περιοχή του σώµατος αναπαριστά το µαθηµατικό ή φυσικό χώρο όπου τοποθετούνται τα αντικείµενα.
Απεικονιστική συσκευή:
Είναι κάθε συσκευή ή υπολογιστική διαδικασία προσοµοίωση
που παράγει µία ψηφιακή εικόνα περιοχής του σώµατος και του περιεχομένου της. Τοµογραφικές συσκευές (υπολογιστικός τοµογράφος, µαγνητικός τοµογράφος κ.λπ.) καθώς και συστήµατα λογισµικού που πραγµατοποιούν προσοµοίωση ανατοµικών αντικειµένων και τοµογραφική ανακατασκευή αποτελούν παραδείγµατα απεικονιστικών συσκευών.
Επιπλέον θα μπορούσε γίνει μια μικρή αναφορά σχετικά με τις λέξεις κλειδιά ότι σε τοµογραφικές απεικονιστικές συσκευές όπου η ανάκτηση δεδοµένων που καλύπτουν µια περιοχή του σώµατος πραγµατοποιείται τοµή προς τοµή, η απόσταση µεταξύ δυο διαδοχικών τοµών καλείται πάχος της τοµής και η θέση ενός επιπέδου που περνάει από το µέσο της απόστασης καλείται θέση της τοµής. Η απόσταση µεταξύ δύο διαδοχικών τοµών υπολογίζεται απλά από τη διαφορά των θέσεών τους. O όγκος των ψηφιακών δεδοµένων που προκύπτει από απεικονιστικά συστήµατα είναι μεγάλος και συνήθως
κυµαίνεται από 10 MB έως 1 GB.
Ένα σύστηµα ορθογωνίων αξόνων προσαρµοσµένο σε µία σκηνή καλείται σύστημα συντεταγμένων της σκηνής. Συνήθως η αρχή του είναι το πρώτο στοιχείο όγκου σε µια γωνία της σκηνής και οι άξονες θεωρούνται παράλληλοι προς τις ακµές των στοιχείων όγκου. Η γνώση της αρχής και του προσανατολισµού του συστήµατος αναφοράς της σκηνής σε σχέση µε το σύστηµα αναφοράς της απεικονιστικής συσκευής είναι απαραίτητη για κάθε εφαρµογή απεικόνισης.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η ακριβής και έγκαιρη διάγνωση, η εκτίµηση της πορείας µιας νόσου, αλλά και ο σχεδιασµός θεραπευτικών παρεμβάσεων βασίζονται σήµερα σε σηµαντικό βαθµό στην ιατρική απεικόνιση και εξαρτώνται τόσο από τη συλλογή των απεικονιστικών δεδοµένων όσο και από την ερμηνεία-διαχείριση των λαμβανόμενων εικόνων. Τα τελευταία χρόνια, ο ρόλος και η συμβολή της ιατρικής απεικόνισης στη διαγνωστική και θεραπευτική διαδικασία έχει ενισχυθεί θεαµατικά εξαιτίας όχι µόνο των εξελίξεων στα ανιχνευτικά συστήµατα αλλά και στην τεχνολογία των υπολογιστών.
Επιπλέον Ιατρική Απεικόνιση ονομάζεται η in vivo (εν ζωή) αναπαραγωγή της εικόνας δομών του σώματος με σκοπό τη διάγνωση, το σχεδιασμό, την παρακολούθηση των θεραπευτικών αγωγών και τη συμβολή σε πειραματικές μελέτες. Κάθε είδος ιατρικής απεικόνισης πρέπει να χαρακτηρίζεται από
εγκυρότητα, να επιβαρύνει όσο το δυνατόν λιγότερο τον οργανισμό και να διεξάγεται σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Η Ιατρική απεικόνιση αναφέρεται στις τεχνικές και τις διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουν εικόνες από το ανθρώπινο σώμα (ή τα μέρη επ' αυτού) για κλινικούς λόγους (ιατρικές διαδικασίες που επιδιώκουν να αποκαλύψουν, να εντοπίσουν ή να εξετάσουν ασθένεια) ή Ιατρική επιστήμη (συμπεριλαμβανομένης της μελέτης της φυσιολογικής ανατομίας και της λειτουργίας). Σαν πειθαρχία και υπό την ευρύτερη έννοιά του, είναι μέρος της βιολογικής απεικόνισης και χρησιμοποιείται στην ακτινολογία (υπό την ευρύτερη έννοια), σε ραδιολογικές επιστήμες, στην ενδοσκόπηση, στην ιατρική φωτογραφία και μικροσκόπηση (π.χ. για τις ανθρώπινες παθολογικές έρευνες). Μέτρηση και καταγραφή των τεχνικών που δεν έχουν σχεδιαστεί κυρίως για την παραγωγή εικόνων, όπως ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) και μαγνητοεγκεφαλογραφία (MEG), αλλά που παράγουν τα δεδομένα και μπορούν να θεωρηθούν ως μορφές ιατρικής απεικόνισης.
Σε γενικές γραμμές, η ιατρική απεικόνιση αναφέρεται στη διαδικασία που περιλαμβάνει ειδικευμένα όργανα και τεχνικές για να δημιουργήσει εικόνες ή σχετικές πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική βιολογική δομή και λειτουργία του σώματος. Η ιατρική απεικόνιση έχει μερικές φορές χαρακτηριστεί, σε ευρύτερη έννοια, ως μέρος των ραδιολογικών επιστημών. Αυτό έχει ιδιαίτερη
σημασία, λόγω των κοινών εφαρμογών της στη διαγνωστική ακτινολογία. Σε κλινικό περιβάλλον, ιατρικές εικόνες από ένα συγκεκριμένο όργανο ή μέρος του σώματος έχουν παραχθεί για την κλινική εξέταση και τη διάγνωση μιας ασθένειας ή παθολογίας. Ωστόσο, οι ιατρικές εξετάσεις απεικόνισης διενεργήθηκαν προκειμένου να αποκομιστούν εικόνες και πληροφορίες για τη μελέτη ανατομικών και λειτουργικών δομών για ερευνητικούς σκοπούς με φυσιολογικά καθώς και παθολογικά θέματα.
Τέλος η ιατρική απεικόνιση χρησιμοποιείται ευρέως σε µια πλειάδα εφαρμογών της σημερινής κλινικής πρακτικής όπως στην υποβοήθηση της διάγνωσης, στη προσομοίωση χειρουργικής επέµβασης, στο σχεδιασµό της ακτινοθεραπείας και στην ποσοτικοποίηση της ιστοπαθολογίας. Για τη βέλτιστη αξιοποίηση της τεράστιας ποσότητας διαθέσιµης πληροφορίας, είναι απαραίτητη η χρήση τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας για τη γρήγορη και ακριβή εξαγωγή της ουσιαστικής πληροφορίας (data reduction) καθώς και για το συνδυασµό πληροφορίας από διαφορετικές πηγές (data integration). Ως αποτέλεσµα, η επεξεργασία, ανάλυση και παρουσίαση ιατρικών απεικονιστικών δεδοµένων αποτελεί σήµερα ένα σηµαντικό πεδίο στην ιατρική απεικόνιση. Ο συνδυασµός υψηλής ποιότητας ψηφιακών ιατρικών εικόνων και υψηλής απόδοσης/χαµηλού κόστους υπολογιστών επιτρέπει την ανάπτυξη εξελιγµένων τεχνικών και συστηµάτων για την αποτελεσματική επεξεργασία και πολυδιάστατη παρουσίαση/εποπτεία ιατρικών δεδοµένων, προσφέροντας νέες δυνατότητες για την αξιολόγηση απεικονιστικών ευρηµάτων, τη σχεδίαση και απότμηση θεραπευτικών παρεμβάσεων.
ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ
Όλα ξεκίνησαν στα τέλη του 19ου αιώνα όταν μια μεγάλη ανακάλυψη ήρθε να δώσει μια νέα διάσταση στην ιατρική επιστήμη και να συμβάλει οριστικά στη συμβίωσή της με τη φυσική . Στις 8 Νοεμβρίου 1895 ο Γερμανός Φυσικός Βίλχελμ Ραιντγκεν ανακάλυψε τις Ακτίνες Χ μια ορατή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία . Προς έκπληξή του οι ακτίνες Χ ήταν ικανές να διαπερνούν το ανθρώπινο σώμα και να παράγουν μια «φωτογραφία» από το εσωτερικό του .απεικονίζοντας με λεπτομέρεια τα κόκαλα , τις κοιλότητες και άλλες ανατομικές δομές .
Από τότε η επιστήμη προχώρησε με μεγάλα βήματα , τις αρχές αλληλεπίδρασης διαφόρων μορφών ενέργειας με την ύλη και κατασκευάζοντας ολοκληρωμένα μη επεμβατικής απεικόνισης και ανακατασκευής εικόνας από τις διάφορες τομές που λαμβάνονται κάθε φορά από το υπό εξέταση όργανο . Έτσι , μια πλειάδα απεικονιστικών συστημάτων εντάχθηκαν στην καθημερινή κλινική πρακτική τόσο για τις ανάγκες διάγνωσης και πρόγνωσης , όσο και για της ανάγκες της αξιολόγησης βιολογικών διαδικασιών in-vivo .
ΕΙΔΗ ΙΑΤΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ
Η ακριβής και έγκαιρη διάγνωση, η εκτίμηση της πορείας μιας νόσου, αλλά και ο
σχεδιασμός θεραπευτικών παρεμβάσεων βασίζονται σήμερα σε σημαντικό βαθμό στην ιατρική απεικόνιση και εξαρτώνται τόσο από τη συλλογή των απεικονιστικών δεδομένων όσο και από την ερμηνεία-διαχείριση των λαμβανόμενων εικόνων. Τα τελευταία χρόνια, ο ρόλος και η συμβολή της ιατρικής απεικόνισης στη διαγνωστική και θεραπευτική διαδικασία έχει ενισχυθεί θεαματικά εξαιτίας
όχι μόνο των εξελίξεων στα ανιχνευτικά συστήματα αλλά και στην τεχνολογία των υπολογιστών. Για παράδειγμα, μια από τις σημαντικότερες εξελίξεις στην ιατρική απεικόνιση σχετίζεται με την τομογραφική απεικόνιση του ανθρώπινου σώματος, η οποία εξαρτάται ουσιαστικά από τις διαθέσιμες δυνατότητες υπολογιστικής ισχύος και αποθήκευσης δεδομένων και παράγει τρισδιάστατες (3D) αναπαραστάσεις υψηλής ποιότητας στην οθόνη του υπολογιστή.
Τα σύγχρονα συστήματα ιατρικής απεικόνισης παρέχουν πληροφορία για εσωτερικές δομές του ανθρώπινου σώματος με βάση σύνολα δεδομένων 2, 3, 4 ή ακόμη και 5 διαστάσεων. Μερικά χαρακτηριστικά παραδείγματα αναφέρονται στη συνέχεια. Δεδομένα δύο διαστάσεων (2D) μπορεί να αντιστοιχούν σε μια ψηφιακή ακτινογραφία, μια τομογραφική εικόνα από ένα σύνολο δεδομένων υπολογιστικής τομογραφίας (CT), μαγνητικής τομογραφίας (MRI), τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (PET), τομογραφίας εκπομπής φωτονίου (SPECT), μια εικόνα υπερηχωτομογραφίας (US), λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας (fMRI) κλπ.
Ακτίνες Χ: Οι ακτίνες Χ ή ακτίνες Röntgen αποκαλείται ένα τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με περιοχή μήκους κύματος μεταξύ 10 nm με 10 pm , που αντιστοιχεί σε περιοχή συχνότητας από 30 PHz - 30 HHz και σε περιοχή ενέργειας 120 eV - 120 keV. Αυτό το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος βρίσκεται μεταξύ των τμημάτων της υπεριώδους ακτινοβολίας και των ακτίνων γ. Η δεύτερη ονομασία της ακτινοβολίας προέρχεται από το όνομα ενός από τους πρώτους ερευνητές της, του Γερμανού φυσικού, Βίλχελμ Ρέντγκεν (Wilhelm Röntgen) που τις ανακάλυψε το 1895. Οι ακτίνες Χ πρωταρχικά χρησιμοποιήθηκαν από την Ιατρική ως διαγνωστικό εργαλείο με τη μορφή της ακτινογραφίας και από τη Φυσική και τη Χημεία με τη μορφή της κρυσταλλογραφίας. Όμως, οι ακτίνες Χ ανήκουν στις ιονίζουσες ακτινοβολίες, αφού η ενέργειά τους είναι ικανή να προκαλέσει τον ιονισμό ατόμων και μορίων από αριθμό εσωτερικών τους ηλεκτρονίων. Επομένως παρουσιάζει κινδύνους βλαβών σε ζωντανούς οργανισμούς και όχι μόνο.
Οι ακτίνες Χ διαχωρίζονται σε 2 υποπεριοχές μήκους κύματος, συχνότητας και ενέργειας:
1. . «Μαλακές ακτίνες Χ»: 10 nm - 100 pm, 30 PHz - 3 HHz, 120 eV - 12 keV.
2. . «Σκληρές ακτίνες Χ»: 100 - 10 pm. 3 - 30 HHz, 12 - 120 keV.
Η διάκριση μεταξύ των ακτίνων χ και ακτίνων γ άλλαξε τις τελευταίες δεκαετίες. Παλαιότερα υπήρχε και 3η υποπεριοχή ακτίνων Χ, αλλά αυτές εντάχθηκαν στις ακτίνες γ, γιατί προκαλούσαν πλέον διεγέρσεις και στους ατομικούς πυρήνες.
ΤΡΟΠΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ: Ο πιο συνηθισμένος τρόπος παραγωγής ακτίνων Χ είναι μέσω της επιτάχυνσης ηλεκτρονίων από δυναμικό τάξης μεγέθους των δεκάδων χιλιάδων βολτ και πρόσπτωσή τους σε στόχο ο οποίος αποτελείται από μεταλλικό υλικό μεγάλου ατομικού αριθμού, συνήθως βολφράμιο ή μολυβδένιο για τις ακτινογραφίες. Τα ηλεκτρόνια προσπίπτοντας στο στόχο χάνουν σταδιακά την ενέργεια τους, εφ' όσον υφίστανται επιβραδύνσεις από τα άτομα του υλικού του στόχου. Εντούτοις η ενέργεια που αποδίδουν στα άτομα του στόχου είναι αρκετή για να διεγείρει και ηλεκτρόνια των εσωτερικών στοιβάδων των ατόμων. Αποτέλεσμα αυτού είναι η συμπλήρωση των στοιβάδων αυτών από ηλεκτρόνια υψηλότερων ενεργειακά στοιβάδων και έτσι παράγονται τα φωτόνια των ακτίνων Χ. Επειδή τα ηλεκτρόνια που έχουν επιταχυνθεί αρχικά εναποθέτουν συγκεκριμένες τιμές ενέργειας στα άτομα του στόχου, το φάσμα που προέρχεται από την αποδιέγερση και συμπλήρωση των στοιβάδων των ατόμων του μεταλλικού στόχου, είναι γραμμικό. Υπάρχει όμως και ένα συνεχές τμήμα του φάσματος των ακτίνων Χ το οποίο προέρχεται από τη λεγόμενη ακτινοβολία πέδησης (Bremsstrahlung) που δίνεται από τα ηλεκτρόνια που επιταχύνονται από το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο που υπάρχει κοντά στον μεγάλου ατομικού αριθμού πυρήνα.
Αξονική τομογραφία: Η Αξονική τομογραφία ή Υπολογιστική τομογραφία (στα Αγγλικά αρχικά Axial Tomography, σήμερα Computed Tomography - CT) είναι ακτινολογική μέθοδος εξέτασης του ανθρώπινου σώματος. Μπορεί να απεικονίσει σε κάθετες τομές ολόκληρο το σώμα, χρησιμοποιώντας την ακτινοβολία Χ. Η αξονική τομογραφία εισήχθη στην ιατρική διαγνωστική τη δεκαετία του 1970 (για την ακρίβεια το 1968) και έφερε επανάσταση στο χώρο. Ξεκίνησε από τις ΗΠΑ και το πρώτο όργανο που μελετήθηκε με αυτήν ήταν ο εγκέφαλος. Η μέθοδος έτυχε ταχέως καθολικής αποδοχής, κυρίως, για το ότι δεν προκαλεί καμία ταλαιπωρία στους ασθενείς και έχει μεγάλη διαγνωστική ακρίβεια.
ΤΕΧΝΙΚΗ ΛΗΨΗΣ: Οι αξονικές τομογραφίες λαμβάνονται με ένα μεγάλο όργανο, που καλείται αξονικός τομογράφος. Ο εξεταζόμενος τοποθετείται σε ύπτια θέση σε ένα κινούμενο κάθισμα το οποίο αργά διέρχεται μέσω μιας κυκλικής τρύπας του μηχανήματος. Αποφεύγεται να ακτινοβοληθούν οι οφθαλμοί, γι' αυτό και το κεφάλι τοποθετείται με κλίση 15ο προς τα κάτω. Όση ώρα ο εξεταζόμενος βρίσκεται μέσα στην κυκλική περιοχή ακτινοβολείται με ακτίνες Χ ανά τακτά χρονικά διαστήματα.
Με αυτήν τη μέθοδο λαμβάνονται κάθετες λεπτές τομές (μεταξύ 0,6-10 χιλιοστών) του ανθρώπινου σώματος, οι οποίες αποτυπώνονται σε φιλμ και εκτυπώνονται σε ειδικό χαρτί, με χρώμα μαύρο - άσπρο και διαφανές.
Οι εικόνες αποθηκεύονται στον υπολογιστή και μπορούν να μεταφερθούν οπουδήποτε. Συνήθως αποθηκεύονται και σε CD που δίδεται στον ασθενή και έτσι μπορεί να γίνει διάγνωση σε οποιονδήποτε άλλον υπολογιστή με τη χρήση κατάλληλων προγραμμάτων.
Τα συμπαγή μόρια φαίνονται καλύτερα. Έτσι απεικονίζεται το εσωτερικό του σώματος και επιτρέπεται στον εξεταστή να αναζητήσει βλάβες μέσα στα όργανα ή να εντοπίσει ανωμαλίες σε σημεία που ήταν αδιανόητο να εντοπιστούν με την απλή ακτινογραφία.
Μια τελευταία εξέλιξη της αξονικής τομογραφίας είναι η ελικοειδής αξονική τομογραφία (spiral) η οποία, πέρα από άλλα πλεονεκτήματα. παρέχει τη δυνατότητα ανακατασκευής των εικόνων, ώστε να έχουμε και τομές σε άλλα επίπεδα (μετωπιαία, στεφανιαία και λοξά), πράγμα που μέχρι τώρα μόνο η μαγνητική τομογραφία μπορούσε να κάνει.
Υπάρχει επίσης η δυνατότητα διαμόρφωσης εντυπωσιακών εικόνων τριών διαστάσεων (3D), που βοηθούν πολύ στην ορθοπεδική και στην αγγειολογία-καρδιολογία.
Ορισμένες φορές η εξέταση γίνεται μετά από ενδοφλέβια έγχυση σκιερής ουσίας (ιωδιούχο σκιαγραφικό), ενώ σε κάποιες ειδικές περιπτώσεις λαμβάνονται πολύ λεπτές τομές 1-2 χιλ.
Μαγνητική τομογραφία: Η Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (στα αγγλικά Magnetic Resonance Imaging (MRI), ή αλλιώς Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός) ή, όπως είναι περισσότερο γνωστή στην Ελλάδα, Μαγνητική Τομογραφία είναι μια ακτινολογική μέθοδος απεικόνισης του εσωτερικού ενός οργανισμού. Θεωρείται τεράστια ιατρική πρόοδος.
Αρχικά πρέπει να γίνει ιδιαίτερη αναφορά στον μαθηματικό Ζοζέφ Φουριέ ο οποίος ανακάλυψε τους ομώνυμους μετασχηματισμούς, χωρίς τους οποίους θα ήταν αδύνατη σήμερα η ανακατασκευή των φασμάτων και στον Νίκολα Τέσλα για τις εφευρέσεις του σχετικά με τον ηλεκτρομαγνητισμό οι οποίες έδωσαν μεγάλη ώθηση στην περαιτέρω εξέλιξη της τεχνολογίας. Αρχικά το 1924 ο Pauli μετά από σειρά μελετών πρότεινε την θεωρητική ύπαρξη μιας εγγενούς πυρηνικής περιστροφής. Το 1925 οι Uhlenbeck και Goudsmit εισήγαγαν στην φυσική την έννοια του περιστρεφόμενου ηλεκτρονίου. Δύο χρόνια αργότερα, ο Pauli και ο Charles Galton Darwin ανέπτυξαν ένα θεωρητικό πλαίσιο για την έννοια της περιστροφής ηλεκτρονίων με βάση τους νόμους της κβαντικής μηχανικής που αναπτύχθηκαν από τον Edwin Schredinger και τον Werner Heisenberg.
Οι πρώτες μελέτες σχετικά με τις μαγνητικές ιδιότητες των πυρήνων ξεκινούν στις αρχές της δεκαετίας του '30 με τους Gorter και Rabi. Το 1933 o Otto Stern και o Walther Gerlach ήταν σε θέση να μετρήσουν την επίδραση της πυρηνικής περιστροφής από την εκτροπή μιας ακτίνας μορίων υδρογόνου. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '30, το εργαστήριο του Isidor Isaac Rabi στο πανεπιστήμιο Κολούμπια της Νέας Υόρκης έγινε σημαντικό κέντρο σχετικών μελετών. Ο Gorter χρησιμοποίησε αρχικά τον όρο "πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός" σε μια δημοσίευση που εμφανίστηκε στην Ολλανδία το 1942.
ΤΕΧΝΙΚΗ ΛΗΨΗΣ: Ο εξεταζόμενος τοποθετείται εντός ισχυρού μαγνητικού πεδίου (τουλάχιστον 1.5 Tesla-15.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της γης). Υπό αυτές τις συνθήκες οι πυρήνες υδρογόνου του σώματος (που βρίσκονται σχεδόν σε όλες τις ενώσεις-νερό, λίπος και άλλες οργανικές ενώσεις) προσανατολίζονται παράλληλα ως προς της μαγνητικές γραμμές του πεδίου και εκτελούν μεταπτωτική κίνηση γύρω από τον άξονα των μαγνητικών γραμμών με συγκεκριμένη συχνότητα περιστροφής (συχνότητα Larmor). Η συχνότητα αυτή είναι χαρακτηριστική για κάθε άτομο. Η ποσότητα γ είναι ίση με το λόγο της μαγνητικής ροπής εξ’ αιτίας του σπιν προς τη στροφορμή λόγω σπιν. Ο λόγος γ ονομάζεται γυρομαγνητικός λόγος του σπιν (gyromagnetic ratio). Είναι φανερό ότι για δεδομένο εξωτερικό πεδίο κάθε τύπος ατομικού πυρήνα εκτελεί μεταπτωτική κίνηση με ορισμένη συχνότητα (ιδιοσυχνότητα), που είναι διαφορετική για κάθε άτομο. Συνεπώς η μεταπτωτική αυτή κίνηση αποτελεί ένα μέσο διερεύνησης των διαφόρων τύπων πυρήνων που εμπεριέχονται σε ένα σώμα, είτε αυτό είναι δείγμα κάποιας βιολογικής ή χημικής ουσίας είτε είναι ιστός κάποιου εξεταζόμενου.
Κατά την διάρκεια της εξέτασης τα πηνία ραδιοσυχνότητας του μαγνητικού τομογράφου εκπέμπουν RF (ραδιοκύματα) με συχνότητα ίση με αυτή της περιστροφής των πυρήνων (συχνότητα Larmor). Οι πυρήνες απορροφούν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια και αλλάζει η κατάσταση περιστροφής τους. Μετά από την διέγερση με παλμούς RF, ενώ οι τροχιές μεταπίπτουν στην αρχική τους κατάσταση, εκπέμπουν ένα αδύνατο σήμα ραδιοσυχνότητας στην συχνότητα Larmor (με μικρές αποκλίσεις). Το αδύναμο εκπεμπόμενο σήμα RF το οποίο λαμβάνουμε είναι το σήμα μαγνητικού συντονισμού. Το σήμα αυτό φθίνει με την πάροδο του χρόνου και ονομάζεται σήμα ελεύθερης επαγωγικής απόσβεσης (Free Induction Decay). Έπειτα με την εφαρμογή μετασχηματισμού Fourier στο FID (σήμα στο πεδίο του χρόνου) λαμβάνουμε το σήμα στην τελική του μορφή, δηλαδή στο πεδίο των συχνοτήτων.
Κατά την εκτέλεση εξετάσεων MRI ο χωρικός προσδιορισμός των λαμβανόμενων σημάτων γίνεται με την υπέρθεση βαθμιδωτών μαγνητικών πεδίων τα οποία αλλάζουν τοπικά την ισχύ του κύριου πεδίου με αποτέλεσμα την μικρή αλλαγή στην συχνότητα συντονισμού των πυρήνων υδρογόνου. Με αυτό τον τρόπο και την εκπομπή RF παλμών με συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων διεγείρονται συγκεκριμένες περιοχές ( και μπορεί να προσδιορισθεί η θέση τους με βάση τις διαφορές στην συχνότητα και στον ρυθμό περιστροφής των πρωτονίων.
Υπερηχοτομογραφία: Η υπερηχοτομογραφία είναι μία ιατρική απεικονιστική μέθοδος που παράγει εικόνες μερών του ανθρωπίνου σώματος χρησιμοποιώντας τους υπερήχους. Ο υπερηχοτομογράφος είναι ένα μηχάνημα που διαθέτει έναν κεντρικό ηλεκτρονικό υπολογιστή που δέχεται σήματα από έναν πομποδέκτη, τα επεξεργάζεται και τα μετατρέπει σε εικόνες σε ασπρόμαυρη ή έγχρωμη μορφή. Ο πομποδέκτης είναι το περιφερειακό εξάρτημα του μηχανήματος το οποίο στέλνει υπερήχους προς το σώμα με κατεύθυνση που καθορίζει ο εξεταστής και ταυτοχρόνως δέχεται τις ανακλάσεις τους και τις περνά στον υπολογιστή.
Κάθε ιστός του σώματος έχει μια ειδική συμπεριφορά στους υπερήχους κι έτσι ανακλά, διαθλά ή "απορροφά" διαφορετικό ποσό κυμάτων από αυτά που δέχεται. Έτσι ο υπολογιστής αφού δεχτεί τις ανακλάσεις και γνωρίζοντας το ποσό των κυμάτων που στάλθηκαν, αποδίδει ένα χρώμα ή μια απόχρωση του γκρι σε κάθε ιστό και τα εμφανίζει σε μία οθόνη σαν εικόνες. Οι εικόνες αυτές μελετώνται από τον εξεταστή κι αυτός με τη σειρά του εξάγει διαγνωστικά συμπεράσματα.
Πάνω σε αυτές τις βασικές αρχές στηρίζεται η υπερηχοτομογραφία. Τη λέμε τομογραφία επειδή οι υπέρηχοι που στέλνει ο πομποδέκτης είναι σε διάταξη επιπέδου και ο υπολογιστής κάνει εικόνες που μοιάζουν με πραγματικές τομές των εξεταζομένων μερών ή οργάνων.
ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ– ΒΑΣΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ
ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ
Η ψηφιακή επεξεργασία εικόνων είναι μια σύνθετη διαδικασία επεξεργασίας δεδομένων με χρήση υπολογιστή για την επίτευξη συγκεκριμένου στόχου. Είναι η υπολογιστική απεικόνιση όπου η εφαρμογή περιλαμβάνει στην οπτική της αλυσίδα τον άνθρωπο. Με άλλα λόγια, οι εικόνες εξετάζονται και χρησιμοποιούνται από ανθρώπους. Γι’ αυτούς τους τύπους εφαρμογών χρειάζεται η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του ανθρώπινου συστήματος όρασης. Η ψηφιακή επεξεργασία των ιατρικών εικόνων περιλαμβάνει στη γενικότερη περίπτωση πολλά και διαφορετικά στάδια ανάλογα με τη μορφή και την αρχική κατάσταση της ψηφιακής εικόνας και το επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα Στη διαδικασία αυτή είναι χρήσιμες οι τεχνικές επεξεργασίας σημάτων, ενώ απαιτείται ο συνδυασμός μαθηματικών μεθόδων και μοντέλων με αντίστοιχες μεθόδους επίλυσης και ανάπτυξη αντίστοιχου λογισμικού. Οι διαδικασίες που αφορούν στην επεξεργασία πολυδιάστατων ιατρικών δεδομένων μπορούν συνοπτικά να περιγραφούν με τις
επόμενες τέσσερις ομάδες.
Προεπεξεργασία: Οι διαδικασίες σε αυτήν την ομάδα χαρακτηρίζονται ως διαδικασίες χαμηλού επιπέδου. Αποσκοπούν στη βελτίωση της ποιότητας απεικόνισης των δομών ενδιαφέροντος και περιλαμβάνον διαδικασίες αφαίρεσης θορύβου, εξομάλυνσης, ενίσχυσης ακμών, αλλά και παρεμβολής για τη βελτίωση της 3D παρουσίασης δομών ενδιαφέροντος. Η είσοδος στις διαδικασίες αυτής της κατηγορίας είναι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων και το αποτέλεσμα είναι πάλι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων.
Εξαγωγή δομών ενδιαφέροντος: Οι αντίστοιχες διαδικασίες χαρακτηρίζονται ως διαδικασίες ενδιάμεσου επιπέδου και έχουν ως στόχο τον προσδιορισμό ενός συστήματος ανατομικών δομών ενδιαφέροντος. Περιλαμβάνουν την εξαγωγή των δομών ενδιαφέροντος από τα δεδομένα, την απόδοση ετικέτας και την ομαδοποίηση των δομών ενδιαφέροντος. Η είσοδος στις διαδικασίες αυτής της κατηγορίας είναι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων και το αποτέλεσμα είναι πάλι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων ή κάποια άλλη υπολογιστική παραμετρική περιγραφή του συστήματος ενδιαφέροντος.
Ανάλυση και αναγνώριση: Οι διαδικασίες αυτής της ομάδας χαρακτηρίζονται ως διαδικασίες υψηλού επιπέδου και δίνουν έμφαση στην ποσοτικοποίηση της μορφολογικής και λειτουργικής πληροφορίας ενός συστήματος και στην ταυτοποίηση συγκεκριμένων δομών με τη βοήθεια κατάλληλης βάσης δεδομένων ή «λεξικού», σύμφωνα με τα ποσοτικοποιημένα χαρακτηριστικά. Η είσοδος σε αυτές τις διαδικασίες είναι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων και
το αποτέλεσμα κάποια ποσοτικά χαρακτηριστικά και ταυτότητες δομών ενδιαφέροντος.
Μοντελοποίηση: Οι διαδικασίες αυτής της ομάδας χαρακτηρίζονται ως διαδικασίες υψηλού επιπέδου και αποσκοπούν στη δημιουργία μοντέλων ανατομικών δομών και στη βέλτιστη δυνατή απεικόνιση και αναπαράσταση της μορφολογίας ή/και της λειτουργίας ενός συστήματος αντικειμένων. Η είσοδος σε αυτές τις διαδικασίες είναι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων ή κάποια άλλη υπολογιστική αναπαράσταση ενός συστήματος αντικειμένων και η έξοδος ένα σύνολο εικόνων που αποδίδουν/αναπαριστούν την πολυδιάστατη δομή ή/και τη λειτουργία του συστήματος.
Επιπλέον, οι διαδικασίες αυτής της ομάδας περιλαμβάνουν και διαδικασίες
διαχείρισης/μοντελοποίησης των δεδομένων που αναφέρονται στην εικονική τροποποίηση των αντικειμένων ενός συστήματος, όπως π.χ. συμβαίνει κατά την προσομοίωση κάποιας χειρουργικής επέμβασης. Η είσοδος σε διαδικασίες διαχείρισης είναι μια υπολογιστική αναπαράσταση ενός συστήματος αντικειμένων και το αποτέλεσμα είναι η υπολογιστική αναπαράσταση του εικονικά τροποποιημένου συστήματος.
ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ
Οι ιατρικές εικόνες περιέχουν συνήθως υψίσυχνο θόρυβο, που οφείλεται σε εξωγενή
φαινόμενα κατά την εξέταση του ασθενούς (π.χ. ηλεκτρομαγνητικά πεδία στο χώρο, κίνηση ασθενούς, αναπνοή) ή/και θόρυβο κατά την επεξεργασία και αποθήκευση των αποτελεσμάτων (π.χ. θόρυβος εξαιτίας του συστήματος δειγματοληψίας ή εξαιτίας του καναλιού μετάδοσης). Ο θόρυβος αυτός είναι ανεπιθύμητος και απαιτείται η αφαίρεσή του, χωρίς όμως την απώλεια σημαντικής ανατομικής ή λειτουργικής πληροφορίας που εμπεριέχεται στην εικόνα. Για τη μείωση του θορύβου, την εξομάλυνση και γενικά τη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας χρησιμοποιούνται τεχνικές που
αποσκοπούν στην παραγωγή εικόνας καταλληλότερης από την αρχική για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.
Η βελτίωση εικόνας έχει σκοπό να τονίσει ή να οξύνει χαρακτηριστικά της εικόνας, όπως
ακμές, όρια και αντιθέσεις ώστε να καθιστά ένα γράφημα πιο εύχρηστο για εμφάνιση και ανάλυση. Η διαδικασία της βελτίωσης δεν αυξάνει την πληροφορία που περιέχεται στα στοιχεία, αλλά αυξάνει τη δυναμική περιοχή επιλεγμένων χαρακτηριστικών, έτσι ώστε να μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν. Η βελτίωση της εικόνας περιλαμβάνει χειρισμό των επιπέδων του γκρι και της αντίθεσης, μείωση του θορύβου, όξυνση των ακμών, φιλτράρισμα, παρεμβολή και μεγέθυνση, ψευδοχρωματισμό κ.τ.λ.
Για τη μείωση του θορύβου και γενικότερα για τη βελτίωση της ποιότητας των εικόνων,
χρησιμοποιούνται συνήθως οι παρακάτω τεχνικές:
Οι τεχνικές που επεξεργάζονται την εικόνα στο πεδίο της συχνότητας και εκμεταλλεύονται το φάσμα της εικόνας,
Οι τεχνικές που επεξεργάζονται την εικόνα στο πεδίο του χώρου και εκμεταλλεύονται τις
γεωμετρικές ιδιότητες της εικόνας και
Οι τεχνικές που εκμεταλλεύονται το συσχετισμό της πληροφορίας από εικόνα σε εικόνα, όπως κατά τη λήψη video (επέκταση στο χρόνο) ή σε ένα σύνολο τομών του ίδιου ασθενή (επέκταση στο χώρο). Τεχνικές για αύξηση ψηφιακής εικόνας χρησιμοποιούνται ευρέως στην ακτινολογία με σκοπό να αυξήσει την αντίθεση των χαρακτηριστικών της εικόνας. Συμβατικές παγκόσμιες μέθοδοι αύξησης, όπως contrast stretching και histogram equalization, παράγουν μια γενική αύξηση αντίθεσης, αλλά συνήθως αποτυγχάνουν να αυξήσουν την αντίθεση των τοπικών χαρακτηριστικών.
Στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφορες τεχνικές που χρησιμοποιούνται συχνά για τη
βελτίωση της ποιότητας ιατρικών εικόνων. Οι τεχνικές αυτές βασίζονται είτε σε σημειακή
επεξεργασία (point processing) και χρησιμοποιούν μόνο τη χρωματική πυκνότητα μεμονωμένων στοιχείων εικόνας είτε στη χρήση κατάλληλων χωρικών φίλτρων.
ΚΑΤΑΤΜΗΣΗ ΕΙΚΟΝΑΣ (IMAGE SEGMENTATION)
Το πρώτο βήμα στην ανάλυση εικόνας, γενικά, είναι η κατάτμηση εικόνας. Η κατάτμηση
υποδιαιρεί μια εικόνα στα τμήματα ή τα αντικείμενα που την αποτελούν. Το σημείο μέχρι το οποίο η υποδιαίρεση συνεχίζεται εξαρτάται από το πρόβλημα το οποίο πρέπει να επιλυθεί. Αυτό σημαίνει ότι η κατάτμηση πρέπει να σταματά όταν τα αντικείμενα ενδιαφέροντος έχουν απομονωθεί. Οι αλγόριθμοι κατάτμησης για μονόχρωμες εικόνες γενικά βασίζονται σε δυο ιδιότητες των τιμών των επιπέδων αμαύρωσης: στην ασυνέχεια και στην ομοιότητα. Στην πρώτη κατηγορία, η προσέγγιση είναι η διαίρεση της εικόνας βασιζόμενη σε αδρές αλλαγές στα επίπεδα αμαύρωσης. Οι βασικές περιοχές ενδιαφέροντος σε αυτήν την κατηγορία είναι η ανίχνευση απομονωμένων σημείων
και η ανίχνευση γραμμών και αιχμών στην εικόνα.
Οι βασικές προσεγγίσεις στη δεύτερη κατηγορία βασίζονται στο thresholding (εφαρμογή
κατωφλίου) στην περιοχή ανάπτυξης και στην περιοχή διάσπασης και απορρόφησης. Η σκέψη της κατάτμησης μιας εικόνας βασισμένη στην ασυνέχεια ή την ομοιότητα των τιμών των επιπέδων αμαύρωσης των pixels της, είναι εφαρμόσιμη τόσο σε στατικές όσο και δυναμικές (χρονικά μεταβαλλόμενες) εικόνες. Στην περίπτωση των δυναμικών εικόνων, η κίνηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένα καλό βοήθημα στη βελτίωση της απόδοσης των αλγορίθμων κατάτμησης.
Οι διάφορες μέθοδοι κατάτμησης που αναλύονται παρακάτω είναι :
1. Ανίχνευση Ακμών
2. Εφαρμογή κατωφλίου
3. Διαχωρισμός Περιοχών
4. Ενεργά Περιγράμματα
5. Τμηματοποίηση με χρήση Τεχνικών Ταξινόμησης
Η κατάτμηση έντασης του ήχου είναι ένα σημαντικό μέρος των βασισμένων σε υπολογιστή ιατρικών εφαρμογών για τη διάγνωση και την ανάλυση των ανατομικών στοιχείων. Με τις γρήγορες προόδους στις ιατρικές μορφές απεικόνισης και τις τεχνικές απεικόνισης έντασης του ήχου, η βασισμένη σε υπολογιστή διάγνωση γίνεται γρήγορα μια πραγματικότητα. Αυτά τα βασισμένα σε υπολογιστή εργαλεία επιτρέπουν στους επιστήμονες και τους παθολόγους να καταλάβουν και να εντοπίσουν τις ανατομικές δομές. Η κατάτμηση έντασης του ήχου διαδραματίζει έναν κρίσιμο ρόλο από τη διευκόλυνση της αυτόματης ή ημιαυτόματης εξαγωγής του ανατομικού οργάνου ή της περιοχής ενδιαφέροντος. Σε αυτήν την αναθεώρηση, παρέχεται μια εισαγωγή στους διάφορους αλγορίθμους κατάτμησης που βρίσκονται στη λογοτεχνία. Η ταξινόμηση των αλγορίθμων γίνεται σε τρεις κατηγορίες: δομικές τεχνικές, στατιστικές τεχνικές και υβριδικές τεχνικές. Κάτω από τις δομικές τεχνικές θα αναθεωρηθούν οι αλγόριθμοι που παίρνουν υπόψη τις δομικές πληροφορίες για την κατάτμηση. Οι πιθανολογικές τεχνικές είναι εκείνες που εκτελούν την κατάτμηση που βασίζεται στις στατιστικές
μεθόδους ανάλυσης και κάτω από τις υβριδικές τεχνικές θα αναθεωρήθούν οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούν τις δομικές πληροφορίες εκτός από τη στατιστική ανάλυση.
ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΑΤΩΦΛΙΟΥ (THRESHOLDING)
Μία από τις βασικές τεχνικές τμηματοποίησης εικόνων είναι η κατωφλίωση. Η κατωφλίωση με βάση κάποιο χαρακτηριστικό της εικόνας, όπως το επίπεδο χρωματικών πυκνοτήτων, είναι μία πολύ σημαντική τεχνική της επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνων, καθώς συχνά αποτελεί το πρώτο βήμα για ανίχνευση -προσδιορισμό αντικειμένων. Πρέπει να αναφερθεί ότι το πρόβλημα της τμηματοποίησης μπορεί να είναι πολύ σύνθετο, λόγω των φαινομένων ύπαρξης θορύβου, σκιών ή άλλων γεωμετρικών παραμορφώσεων. Η κατωφλίωση μπορεί να θεωρηθεί ως μια διαδικασία που περιλαμβάνει ελέγχους και σύγκριση κάποια ιδιότητας των στοιχείων, όπως της τιμής της
χρωματικής πυκνότητας, της υφής κ.ά.
Η κατωφλίωση μπορεί να βασίζεται στη χρήση σταθερού κατωφλίου Τ για όλη την εικόνα
(ολική κατωφλίωση) ή προσαρμοστικού κατωφλίου, του οποίου η τιμή εξαρτάται από τις τοπικές ιδιότητες της εικόνας (προσαρμοστική κατωφλίωση). Έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές για την επιλογή του κατωφλίου, καμία όμως δεν εξασφαλίζει γενική αποτελεσματικότητα. Συνήθως η επιλογή κατωφλίου εμπλέκει ανάλυση του ιστογράμματος της εικόνας. Για παράδειγμα η μέση χρωματική πυκνότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τιμή κατωφλίου. Αν η κατωφλίωση γίνεται με βάση την τιμή του κάθε στοιχείου, μπορεί να υλοποιηθεί είτε ακολουθιακά, με τη συνήθη σάρωση της εικόνας σε γραμμές (raster scan), ή παράλληλα, όπου η επεξεργασία κάθε στοιχείου γίνεται
ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα, με αποτέλεσμα την επιτάχυνση της εκτέλεσης. Κατά τη διαδικασία κατωφλίωσης τα στοιχεία εικόνας (pixels) ή όγκου (voxels) κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες και δημιουργείται μια δυαδική εικόνα.
Η επιτυχία της κατωφλίωσης εξαρτάται σημαντικά από την επιλογή της τιμής κατωφλίου.
Ένα παράδειγμα εφαρμογής σε μαστογραφία και η επίδραση της τιμής του ή των επιλεγόμενων κατωφλίων, με βάση το ιστόγραμμα της εικόνας.
ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΠΕΡΙΟΧΩΝ
Εκτός από την εύρεση των ορίων των περιοχών με βάση ασυνέχειες έντασης, ή με
κατωφλίωση με βάση την κατανομή των χρωματικών πυκνοτήτων των εικονοστοιχείων, υπάρχει μια σημαντική κατηγορία τεχνικών τμηματοποίησης που έχει σαν στόχο τον απευθείας διαχωρισμό των περιοχών. Μία αντιπροσωπευτική τεχνική αυτής της κατηγορίας είναι η ανάπτυξη ή μεγέθυνση περιοχών (region growing). Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, η εικόνα διαιρείται σε πολλές μικρές περιοχές, κάθε μία από τις οποίες αρχικά μπορεί να αποτελείται από ένα μόνο στοιχείο. Στη συνέχεια ταξινομούνται στην ίδια περιοχή όσα γειτονικά στοιχεία έχουν την ίδια ή πολύ κοντινή τιμή κάποιας
ιδιότητας (π.χ. χρωματικής πυκνότητας, υφής) και ελέγχονται τα όρια των περιοχών που
δημιουργήθηκαν, όπως και η διαφορά τιμών εκατέρωθεν των ορίων, συγκρίνοντας με κάποιο κατώφλι. Οι περιοχές που αντιστοιχούν σε μεγάλες μεταβολές διατηρούνται αμετάβλητες, ενώ αυτές που αντιστοιχούν σε μικρότερες ενώνονται σε μεγαλύτερες περιοχές (merging). Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρι την εξάλειψη ασθενών μεταβολών ανάμεσα στις περιοχές, με βάση κάποιο
προκαθορισμένο κατώφλι. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται ένα παράδειγμα εφαρμογής του αλγορίθμου ανάπτυξης περιοχών σε υπολογιστική τομογραφία άνω κοιλίας, με στόχο την απομόνωση του ήπατος. Μια παραλλαγή αυτού του αλγόριθμου τμηματοποίησης βασίζεται στην ανάπτυξη περιοχών με εκκίνηση από καθορισμένο αρχικό σημείο. Συγκεκριμένα, ο χρήστης επιλέγει ένα αρχικό σημείο από το οποίο αρχίζει η ανάπτυξη της περιοχής, καθώς και ένα κατώφλι ομοιότητας που καθορίζει τη μέγιστη επιτρεπόμενη διαφορά χρωματικής πυκνότητας (ή υφής) μεταξύ στοιχείων που ανήκουν
στην περιοχή: Ο αλγόριθμος εξετάζει τα γειτονικά στοιχεία του αρχικού και αν πληρούν το κριτήριο ομοιότητας εισάγονται στην περιοχή ενδιαφέροντος. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για κάθε νέο εισερχόμενο στην περιοχή στοιχείο μέχρι να μην μπορεί να βρεθεί άλλο στοιχείο που να πληροί τελικά το κριτήριο ομοιότητας.
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ
Εικόνα 1: Γενικό μοντέλο ολοκληρωμένου συστήματος μη επεμβατικής απεικόνισης και ανακατασκευής εικόνας
Πληροφορική Υγείας
ΣΥΝΤΑΚΤΕΣ :
Γκαβούνου Παναγούλα, Γκινοσάτη Βασιλική, Παπαϊωάννου Αλεξάνδρα, Πελτέκη Ελένη-Αργυρούλα (5%)
2011-2012
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Σκοπός της παρακάτω εργασίας είναι να πληροφορήσει και να κάνει κατανοητή τη τόσο σημαντική θέση που έχει πλέον στον τομέα της ιατρικής η Ιατρική Απεικόνιση. Πιο συγκεκριμένα όσον αφορά τον όρο Ιατρική Απεικόνιση θα αναφερθούμε στην ανάλυση και επεξεργασία ιατρικών εικόνων.
Τον 20ο αιώνα εισήχθησαν πολύ σημαντικές τεχνολογικές καινοτομίες στο χώρο της υγείας (αξονική τομογραφία, μαγνητική τομογραφία, υπέρηχοι). Για το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα ούτως ώστε να εξασφαλιστούν με μεγαλύτερη ασφάλεια κάποια ιατρικά μέσα υπάρχουν κάποιες απαιτήσεις. Δυο απ’ αυτές είναι η μείωση κόστους υπηρεσιών υγείας και η αναβάθμιση υπηρεσιών υγείας. Βέβαια υπάρχουν και κάποιες προϋποθέσεις πάνω σ’ αυτές.
Τέλος θα αναφερθούν αναλυτικά πως γίνεται η αξιοποίηση των ιατρικών εικόνων, οι βασικές διαδικασίες ψηφιακής ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνων, ο τρόπος βελτίωσης της ποιότητας των εικόνων καθώς και άλλα θέματα που έχουν σχέση με το θέμα τις εργασίας καθώς και με όσα αναφέρονται σ’ αυτήν.
ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ
Τηλεϊατρική:
Παροχή ιατρικής περίθαλψης -σε περιπτώσεις όπου η απόσταση είναι κρίσιμος παράγοντας -από όλους τους επαγγελματίες του χώρου της Υγείας χρησιμοποιώντας τεχνολογίες πληροφοριών και επικοινωνιών για την ανταλλαγή έγκυρης πληροφορίας για τη διάγνωση, αγωγή και πρόληψη ασθενειών, την έρευνα και ανάλυση, όπως και τη συνεχή εκπαίδευση των επαγγελματιών Υγείας, όλα αυτά στα πλαίσια της αναβάθμισης της Υγείας των ατόμων και των κοινοτήτων τους (Παγκόσμια Οργάνωση Υγείας-Executive board 101st Session, 21 January 1998)
Ανατομικό αντικείμενο:
Κάθε ανατοµική δοµή υπό εξέταση. Μπορεί να είναι
δηλαδή κάποιο συγκεκριµένο όργανο του σώµατος, ένα τεχνικά κατασκευασµένο αντικείµενο (π.χ. µια πρόσθεση οστού ή ένα εκµαγείο που έχει δηµιουργηθεί για τη διεξαγωγή επιστηµονικών πειραµάτων), µία αµιγώς µαθηµατική περιγραφή ενός αντικειµένου όπως είναι ένα ιδεατό µοντέλο εκµαγείου, περιοχές ενός ανατοµικού οργάνου που ενεργοποιούνται έπειτα από κάποιες φυσιολογικές ή άλλες διαδικασίες, ή παθολογικές δοµές µέσα στο ανθρώπινο σώµα όπως είναι ένας όγκος ή µια κύστη.
Σύστημα αντικειμένων:
Ένα σύνολο ανατοµικών αντικειµένων. Για παράδειγµα στη µελέτη του εγκεφάλου ενός ασθενούς, το σύστηµα αντικειµένων µπορεί να αποτελείται από τρία αντικείµενα, τη λευκή και τη φαιά ουσία και το εγκεφαλονωτιαίο υγρό. Τα αντικείµενα ενός συστήµατος µπορεί να είναι και σύνθετου τύπου. Για παράδειγµα, ένα σύστηµα µπορεί να αποτελείται από ένα δυναµικό όργανο και ένα µαθηµατικό εκµαγείο που να προσοµοιώνει ένα στατικό αντικείµενο, καθώς και µία πρόσθεση.
Περιοχή σώματος:
Είναι µια πεπερασµένη περιοχή στον 3D χώρο όπου βρίσκεται ένα
σύστηµα αντικειµένων, δηλ. η περιοχή του σώµατος αναπαριστά το µαθηµατικό ή φυσικό χώρο όπου τοποθετούνται τα αντικείµενα.
Απεικονιστική συσκευή:
Είναι κάθε συσκευή ή υπολογιστική διαδικασία προσοµοίωση
που παράγει µία ψηφιακή εικόνα περιοχής του σώµατος και του περιεχομένου της. Τοµογραφικές συσκευές (υπολογιστικός τοµογράφος, µαγνητικός τοµογράφος κ.λπ.) καθώς και συστήµατα λογισµικού που πραγµατοποιούν προσοµοίωση ανατοµικών αντικειµένων και τοµογραφική ανακατασκευή αποτελούν παραδείγµατα απεικονιστικών συσκευών.
Επιπλέον θα μπορούσε γίνει μια μικρή αναφορά σχετικά με τις λέξεις κλειδιά ότι σε τοµογραφικές απεικονιστικές συσκευές όπου η ανάκτηση δεδοµένων που καλύπτουν µια περιοχή του σώµατος πραγµατοποιείται τοµή προς τοµή, η απόσταση µεταξύ δυο διαδοχικών τοµών καλείται πάχος της τοµής και η θέση ενός επιπέδου που περνάει από το µέσο της απόστασης καλείται θέση της τοµής. Η απόσταση µεταξύ δύο διαδοχικών τοµών υπολογίζεται απλά από τη διαφορά των θέσεών τους. O όγκος των ψηφιακών δεδοµένων που προκύπτει από απεικονιστικά συστήµατα είναι μεγάλος και συνήθως
κυµαίνεται από 10 MB έως 1 GB.
Ένα σύστηµα ορθογωνίων αξόνων προσαρµοσµένο σε µία σκηνή καλείται σύστημα συντεταγμένων της σκηνής. Συνήθως η αρχή του είναι το πρώτο στοιχείο όγκου σε µια γωνία της σκηνής και οι άξονες θεωρούνται παράλληλοι προς τις ακµές των στοιχείων όγκου. Η γνώση της αρχής και του προσανατολισµού του συστήµατος αναφοράς της σκηνής σε σχέση µε το σύστηµα αναφοράς της απεικονιστικής συσκευής είναι απαραίτητη για κάθε εφαρµογή απεικόνισης.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η ακριβής και έγκαιρη διάγνωση, η εκτίµηση της πορείας µιας νόσου, αλλά και ο σχεδιασµός θεραπευτικών παρεμβάσεων βασίζονται σήµερα σε σηµαντικό βαθµό στην ιατρική απεικόνιση και εξαρτώνται τόσο από τη συλλογή των απεικονιστικών δεδοµένων όσο και από την ερμηνεία-διαχείριση των λαμβανόμενων εικόνων. Τα τελευταία χρόνια, ο ρόλος και η συμβολή της ιατρικής απεικόνισης στη διαγνωστική και θεραπευτική διαδικασία έχει ενισχυθεί θεαµατικά εξαιτίας όχι µόνο των εξελίξεων στα ανιχνευτικά συστήµατα αλλά και στην τεχνολογία των υπολογιστών.
Επιπλέον Ιατρική Απεικόνιση ονομάζεται η in vivo (εν ζωή) αναπαραγωγή της εικόνας δομών του σώματος με σκοπό τη διάγνωση, το σχεδιασμό, την παρακολούθηση των θεραπευτικών αγωγών και τη συμβολή σε πειραματικές μελέτες. Κάθε είδος ιατρικής απεικόνισης πρέπει να χαρακτηρίζεται από
εγκυρότητα, να επιβαρύνει όσο το δυνατόν λιγότερο τον οργανισμό και να διεξάγεται σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Η Ιατρική απεικόνιση αναφέρεται στις τεχνικές και τις διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουν εικόνες από το ανθρώπινο σώμα (ή τα μέρη επ' αυτού) για κλινικούς λόγους (ιατρικές διαδικασίες που επιδιώκουν να αποκαλύψουν, να εντοπίσουν ή να εξετάσουν ασθένεια) ή Ιατρική επιστήμη (συμπεριλαμβανομένης της μελέτης της φυσιολογικής ανατομίας και της λειτουργίας). Σαν πειθαρχία και υπό την ευρύτερη έννοιά του, είναι μέρος της βιολογικής απεικόνισης και χρησιμοποιείται στην ακτινολογία (υπό την ευρύτερη έννοια), σε ραδιολογικές επιστήμες, στην ενδοσκόπηση, στην ιατρική φωτογραφία και μικροσκόπηση (π.χ. για τις ανθρώπινες παθολογικές έρευνες). Μέτρηση και καταγραφή των τεχνικών που δεν έχουν σχεδιαστεί κυρίως για την παραγωγή εικόνων, όπως ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EEG) και μαγνητοεγκεφαλογραφία (MEG), αλλά που παράγουν τα δεδομένα και μπορούν να θεωρηθούν ως μορφές ιατρικής απεικόνισης.
Σε γενικές γραμμές, η ιατρική απεικόνιση αναφέρεται στη διαδικασία που περιλαμβάνει ειδικευμένα όργανα και τεχνικές για να δημιουργήσει εικόνες ή σχετικές πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική βιολογική δομή και λειτουργία του σώματος. Η ιατρική απεικόνιση έχει μερικές φορές χαρακτηριστεί, σε ευρύτερη έννοια, ως μέρος των ραδιολογικών επιστημών. Αυτό έχει ιδιαίτερη
σημασία, λόγω των κοινών εφαρμογών της στη διαγνωστική ακτινολογία. Σε κλινικό περιβάλλον, ιατρικές εικόνες από ένα συγκεκριμένο όργανο ή μέρος του σώματος έχουν παραχθεί για την κλινική εξέταση και τη διάγνωση μιας ασθένειας ή παθολογίας. Ωστόσο, οι ιατρικές εξετάσεις απεικόνισης διενεργήθηκαν προκειμένου να αποκομιστούν εικόνες και πληροφορίες για τη μελέτη ανατομικών και λειτουργικών δομών για ερευνητικούς σκοπούς με φυσιολογικά καθώς και παθολογικά θέματα.
Τέλος η ιατρική απεικόνιση χρησιμοποιείται ευρέως σε µια πλειάδα εφαρμογών της σημερινής κλινικής πρακτικής όπως στην υποβοήθηση της διάγνωσης, στη προσομοίωση χειρουργικής επέµβασης, στο σχεδιασµό της ακτινοθεραπείας και στην ποσοτικοποίηση της ιστοπαθολογίας. Για τη βέλτιστη αξιοποίηση της τεράστιας ποσότητας διαθέσιµης πληροφορίας, είναι απαραίτητη η χρήση τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας για τη γρήγορη και ακριβή εξαγωγή της ουσιαστικής πληροφορίας (data reduction) καθώς και για το συνδυασµό πληροφορίας από διαφορετικές πηγές (data integration). Ως αποτέλεσµα, η επεξεργασία, ανάλυση και παρουσίαση ιατρικών απεικονιστικών δεδοµένων αποτελεί σήµερα ένα σηµαντικό πεδίο στην ιατρική απεικόνιση. Ο συνδυασµός υψηλής ποιότητας ψηφιακών ιατρικών εικόνων και υψηλής απόδοσης/χαµηλού κόστους υπολογιστών επιτρέπει την ανάπτυξη εξελιγµένων τεχνικών και συστηµάτων για την αποτελεσματική επεξεργασία και πολυδιάστατη παρουσίαση/εποπτεία ιατρικών δεδοµένων, προσφέροντας νέες δυνατότητες για την αξιολόγηση απεικονιστικών ευρηµάτων, τη σχεδίαση και απότμηση θεραπευτικών παρεμβάσεων.
ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ
Όλα ξεκίνησαν στα τέλη του 19ου αιώνα όταν μια μεγάλη ανακάλυψη ήρθε να δώσει μια νέα διάσταση στην ιατρική επιστήμη και να συμβάλει οριστικά στη συμβίωσή της με τη φυσική . Στις 8 Νοεμβρίου 1895 ο Γερμανός Φυσικός Βίλχελμ Ραιντγκεν ανακάλυψε τις Ακτίνες Χ μια ορατή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία . Προς έκπληξή του οι ακτίνες Χ ήταν ικανές να διαπερνούν το ανθρώπινο σώμα και να παράγουν μια «φωτογραφία» από το εσωτερικό του .απεικονίζοντας με λεπτομέρεια τα κόκαλα , τις κοιλότητες και άλλες ανατομικές δομές .
Από τότε η επιστήμη προχώρησε με μεγάλα βήματα , τις αρχές αλληλεπίδρασης διαφόρων μορφών ενέργειας με την ύλη και κατασκευάζοντας ολοκληρωμένα μη επεμβατικής απεικόνισης και ανακατασκευής εικόνας από τις διάφορες τομές που λαμβάνονται κάθε φορά από το υπό εξέταση όργανο . Έτσι , μια πλειάδα απεικονιστικών συστημάτων εντάχθηκαν στην καθημερινή κλινική πρακτική τόσο για τις ανάγκες διάγνωσης και πρόγνωσης , όσο και για της ανάγκες της αξιολόγησης βιολογικών διαδικασιών in-vivo .
ΕΙΔΗ ΙΑΤΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ
Η ακριβής και έγκαιρη διάγνωση, η εκτίμηση της πορείας μιας νόσου, αλλά και ο
σχεδιασμός θεραπευτικών παρεμβάσεων βασίζονται σήμερα σε σημαντικό βαθμό στην ιατρική απεικόνιση και εξαρτώνται τόσο από τη συλλογή των απεικονιστικών δεδομένων όσο και από την ερμηνεία-διαχείριση των λαμβανόμενων εικόνων. Τα τελευταία χρόνια, ο ρόλος και η συμβολή της ιατρικής απεικόνισης στη διαγνωστική και θεραπευτική διαδικασία έχει ενισχυθεί θεαματικά εξαιτίας
όχι μόνο των εξελίξεων στα ανιχνευτικά συστήματα αλλά και στην τεχνολογία των υπολογιστών. Για παράδειγμα, μια από τις σημαντικότερες εξελίξεις στην ιατρική απεικόνιση σχετίζεται με την τομογραφική απεικόνιση του ανθρώπινου σώματος, η οποία εξαρτάται ουσιαστικά από τις διαθέσιμες δυνατότητες υπολογιστικής ισχύος και αποθήκευσης δεδομένων και παράγει τρισδιάστατες (3D) αναπαραστάσεις υψηλής ποιότητας στην οθόνη του υπολογιστή.
Τα σύγχρονα συστήματα ιατρικής απεικόνισης παρέχουν πληροφορία για εσωτερικές δομές του ανθρώπινου σώματος με βάση σύνολα δεδομένων 2, 3, 4 ή ακόμη και 5 διαστάσεων. Μερικά χαρακτηριστικά παραδείγματα αναφέρονται στη συνέχεια. Δεδομένα δύο διαστάσεων (2D) μπορεί να αντιστοιχούν σε μια ψηφιακή ακτινογραφία, μια τομογραφική εικόνα από ένα σύνολο δεδομένων υπολογιστικής τομογραφίας (CT), μαγνητικής τομογραφίας (MRI), τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (PET), τομογραφίας εκπομπής φωτονίου (SPECT), μια εικόνα υπερηχωτομογραφίας (US), λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας (fMRI) κλπ.
Ακτίνες Χ: Οι ακτίνες Χ ή ακτίνες Röntgen αποκαλείται ένα τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με περιοχή μήκους κύματος μεταξύ 10 nm με 10 pm , που αντιστοιχεί σε περιοχή συχνότητας από 30 PHz - 30 HHz και σε περιοχή ενέργειας 120 eV - 120 keV. Αυτό το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος βρίσκεται μεταξύ των τμημάτων της υπεριώδους ακτινοβολίας και των ακτίνων γ. Η δεύτερη ονομασία της ακτινοβολίας προέρχεται από το όνομα ενός από τους πρώτους ερευνητές της, του Γερμανού φυσικού, Βίλχελμ Ρέντγκεν (Wilhelm Röntgen) που τις ανακάλυψε το 1895. Οι ακτίνες Χ πρωταρχικά χρησιμοποιήθηκαν από την Ιατρική ως διαγνωστικό εργαλείο με τη μορφή της ακτινογραφίας και από τη Φυσική και τη Χημεία με τη μορφή της κρυσταλλογραφίας. Όμως, οι ακτίνες Χ ανήκουν στις ιονίζουσες ακτινοβολίες, αφού η ενέργειά τους είναι ικανή να προκαλέσει τον ιονισμό ατόμων και μορίων από αριθμό εσωτερικών τους ηλεκτρονίων. Επομένως παρουσιάζει κινδύνους βλαβών σε ζωντανούς οργανισμούς και όχι μόνο.
Οι ακτίνες Χ διαχωρίζονται σε 2 υποπεριοχές μήκους κύματος, συχνότητας και ενέργειας:
1. . «Μαλακές ακτίνες Χ»: 10 nm - 100 pm, 30 PHz - 3 HHz, 120 eV - 12 keV.
2. . «Σκληρές ακτίνες Χ»: 100 - 10 pm. 3 - 30 HHz, 12 - 120 keV.
Η διάκριση μεταξύ των ακτίνων χ και ακτίνων γ άλλαξε τις τελευταίες δεκαετίες. Παλαιότερα υπήρχε και 3η υποπεριοχή ακτίνων Χ, αλλά αυτές εντάχθηκαν στις ακτίνες γ, γιατί προκαλούσαν πλέον διεγέρσεις και στους ατομικούς πυρήνες.
ΤΡΟΠΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ: Ο πιο συνηθισμένος τρόπος παραγωγής ακτίνων Χ είναι μέσω της επιτάχυνσης ηλεκτρονίων από δυναμικό τάξης μεγέθους των δεκάδων χιλιάδων βολτ και πρόσπτωσή τους σε στόχο ο οποίος αποτελείται από μεταλλικό υλικό μεγάλου ατομικού αριθμού, συνήθως βολφράμιο ή μολυβδένιο για τις ακτινογραφίες. Τα ηλεκτρόνια προσπίπτοντας στο στόχο χάνουν σταδιακά την ενέργεια τους, εφ' όσον υφίστανται επιβραδύνσεις από τα άτομα του υλικού του στόχου. Εντούτοις η ενέργεια που αποδίδουν στα άτομα του στόχου είναι αρκετή για να διεγείρει και ηλεκτρόνια των εσωτερικών στοιβάδων των ατόμων. Αποτέλεσμα αυτού είναι η συμπλήρωση των στοιβάδων αυτών από ηλεκτρόνια υψηλότερων ενεργειακά στοιβάδων και έτσι παράγονται τα φωτόνια των ακτίνων Χ. Επειδή τα ηλεκτρόνια που έχουν επιταχυνθεί αρχικά εναποθέτουν συγκεκριμένες τιμές ενέργειας στα άτομα του στόχου, το φάσμα που προέρχεται από την αποδιέγερση και συμπλήρωση των στοιβάδων των ατόμων του μεταλλικού στόχου, είναι γραμμικό. Υπάρχει όμως και ένα συνεχές τμήμα του φάσματος των ακτίνων Χ το οποίο προέρχεται από τη λεγόμενη ακτινοβολία πέδησης (Bremsstrahlung) που δίνεται από τα ηλεκτρόνια που επιταχύνονται από το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο που υπάρχει κοντά στον μεγάλου ατομικού αριθμού πυρήνα.
Αξονική τομογραφία: Η Αξονική τομογραφία ή Υπολογιστική τομογραφία (στα Αγγλικά αρχικά Axial Tomography, σήμερα Computed Tomography - CT) είναι ακτινολογική μέθοδος εξέτασης του ανθρώπινου σώματος. Μπορεί να απεικονίσει σε κάθετες τομές ολόκληρο το σώμα, χρησιμοποιώντας την ακτινοβολία Χ. Η αξονική τομογραφία εισήχθη στην ιατρική διαγνωστική τη δεκαετία του 1970 (για την ακρίβεια το 1968) και έφερε επανάσταση στο χώρο. Ξεκίνησε από τις ΗΠΑ και το πρώτο όργανο που μελετήθηκε με αυτήν ήταν ο εγκέφαλος. Η μέθοδος έτυχε ταχέως καθολικής αποδοχής, κυρίως, για το ότι δεν προκαλεί καμία ταλαιπωρία στους ασθενείς και έχει μεγάλη διαγνωστική ακρίβεια.
ΤΕΧΝΙΚΗ ΛΗΨΗΣ: Οι αξονικές τομογραφίες λαμβάνονται με ένα μεγάλο όργανο, που καλείται αξονικός τομογράφος. Ο εξεταζόμενος τοποθετείται σε ύπτια θέση σε ένα κινούμενο κάθισμα το οποίο αργά διέρχεται μέσω μιας κυκλικής τρύπας του μηχανήματος. Αποφεύγεται να ακτινοβοληθούν οι οφθαλμοί, γι' αυτό και το κεφάλι τοποθετείται με κλίση 15ο προς τα κάτω. Όση ώρα ο εξεταζόμενος βρίσκεται μέσα στην κυκλική περιοχή ακτινοβολείται με ακτίνες Χ ανά τακτά χρονικά διαστήματα.
Με αυτήν τη μέθοδο λαμβάνονται κάθετες λεπτές τομές (μεταξύ 0,6-10 χιλιοστών) του ανθρώπινου σώματος, οι οποίες αποτυπώνονται σε φιλμ και εκτυπώνονται σε ειδικό χαρτί, με χρώμα μαύρο - άσπρο και διαφανές.
Οι εικόνες αποθηκεύονται στον υπολογιστή και μπορούν να μεταφερθούν οπουδήποτε. Συνήθως αποθηκεύονται και σε CD που δίδεται στον ασθενή και έτσι μπορεί να γίνει διάγνωση σε οποιονδήποτε άλλον υπολογιστή με τη χρήση κατάλληλων προγραμμάτων.
Τα συμπαγή μόρια φαίνονται καλύτερα. Έτσι απεικονίζεται το εσωτερικό του σώματος και επιτρέπεται στον εξεταστή να αναζητήσει βλάβες μέσα στα όργανα ή να εντοπίσει ανωμαλίες σε σημεία που ήταν αδιανόητο να εντοπιστούν με την απλή ακτινογραφία.
Μια τελευταία εξέλιξη της αξονικής τομογραφίας είναι η ελικοειδής αξονική τομογραφία (spiral) η οποία, πέρα από άλλα πλεονεκτήματα. παρέχει τη δυνατότητα ανακατασκευής των εικόνων, ώστε να έχουμε και τομές σε άλλα επίπεδα (μετωπιαία, στεφανιαία και λοξά), πράγμα που μέχρι τώρα μόνο η μαγνητική τομογραφία μπορούσε να κάνει.
Υπάρχει επίσης η δυνατότητα διαμόρφωσης εντυπωσιακών εικόνων τριών διαστάσεων (3D), που βοηθούν πολύ στην ορθοπεδική και στην αγγειολογία-καρδιολογία.
Ορισμένες φορές η εξέταση γίνεται μετά από ενδοφλέβια έγχυση σκιερής ουσίας (ιωδιούχο σκιαγραφικό), ενώ σε κάποιες ειδικές περιπτώσεις λαμβάνονται πολύ λεπτές τομές 1-2 χιλ.
Μαγνητική τομογραφία: Η Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (στα αγγλικά Magnetic Resonance Imaging (MRI), ή αλλιώς Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός) ή, όπως είναι περισσότερο γνωστή στην Ελλάδα, Μαγνητική Τομογραφία είναι μια ακτινολογική μέθοδος απεικόνισης του εσωτερικού ενός οργανισμού. Θεωρείται τεράστια ιατρική πρόοδος.
Αρχικά πρέπει να γίνει ιδιαίτερη αναφορά στον μαθηματικό Ζοζέφ Φουριέ ο οποίος ανακάλυψε τους ομώνυμους μετασχηματισμούς, χωρίς τους οποίους θα ήταν αδύνατη σήμερα η ανακατασκευή των φασμάτων και στον Νίκολα Τέσλα για τις εφευρέσεις του σχετικά με τον ηλεκτρομαγνητισμό οι οποίες έδωσαν μεγάλη ώθηση στην περαιτέρω εξέλιξη της τεχνολογίας. Αρχικά το 1924 ο Pauli μετά από σειρά μελετών πρότεινε την θεωρητική ύπαρξη μιας εγγενούς πυρηνικής περιστροφής. Το 1925 οι Uhlenbeck και Goudsmit εισήγαγαν στην φυσική την έννοια του περιστρεφόμενου ηλεκτρονίου. Δύο χρόνια αργότερα, ο Pauli και ο Charles Galton Darwin ανέπτυξαν ένα θεωρητικό πλαίσιο για την έννοια της περιστροφής ηλεκτρονίων με βάση τους νόμους της κβαντικής μηχανικής που αναπτύχθηκαν από τον Edwin Schredinger και τον Werner Heisenberg.
Οι πρώτες μελέτες σχετικά με τις μαγνητικές ιδιότητες των πυρήνων ξεκινούν στις αρχές της δεκαετίας του '30 με τους Gorter και Rabi. Το 1933 o Otto Stern και o Walther Gerlach ήταν σε θέση να μετρήσουν την επίδραση της πυρηνικής περιστροφής από την εκτροπή μιας ακτίνας μορίων υδρογόνου. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '30, το εργαστήριο του Isidor Isaac Rabi στο πανεπιστήμιο Κολούμπια της Νέας Υόρκης έγινε σημαντικό κέντρο σχετικών μελετών. Ο Gorter χρησιμοποίησε αρχικά τον όρο "πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός" σε μια δημοσίευση που εμφανίστηκε στην Ολλανδία το 1942.
ΤΕΧΝΙΚΗ ΛΗΨΗΣ: Ο εξεταζόμενος τοποθετείται εντός ισχυρού μαγνητικού πεδίου (τουλάχιστον 1.5 Tesla-15.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της γης). Υπό αυτές τις συνθήκες οι πυρήνες υδρογόνου του σώματος (που βρίσκονται σχεδόν σε όλες τις ενώσεις-νερό, λίπος και άλλες οργανικές ενώσεις) προσανατολίζονται παράλληλα ως προς της μαγνητικές γραμμές του πεδίου και εκτελούν μεταπτωτική κίνηση γύρω από τον άξονα των μαγνητικών γραμμών με συγκεκριμένη συχνότητα περιστροφής (συχνότητα Larmor). Η συχνότητα αυτή είναι χαρακτηριστική για κάθε άτομο. Η ποσότητα γ είναι ίση με το λόγο της μαγνητικής ροπής εξ’ αιτίας του σπιν προς τη στροφορμή λόγω σπιν. Ο λόγος γ ονομάζεται γυρομαγνητικός λόγος του σπιν (gyromagnetic ratio). Είναι φανερό ότι για δεδομένο εξωτερικό πεδίο κάθε τύπος ατομικού πυρήνα εκτελεί μεταπτωτική κίνηση με ορισμένη συχνότητα (ιδιοσυχνότητα), που είναι διαφορετική για κάθε άτομο. Συνεπώς η μεταπτωτική αυτή κίνηση αποτελεί ένα μέσο διερεύνησης των διαφόρων τύπων πυρήνων που εμπεριέχονται σε ένα σώμα, είτε αυτό είναι δείγμα κάποιας βιολογικής ή χημικής ουσίας είτε είναι ιστός κάποιου εξεταζόμενου.
Κατά την διάρκεια της εξέτασης τα πηνία ραδιοσυχνότητας του μαγνητικού τομογράφου εκπέμπουν RF (ραδιοκύματα) με συχνότητα ίση με αυτή της περιστροφής των πυρήνων (συχνότητα Larmor). Οι πυρήνες απορροφούν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια και αλλάζει η κατάσταση περιστροφής τους. Μετά από την διέγερση με παλμούς RF, ενώ οι τροχιές μεταπίπτουν στην αρχική τους κατάσταση, εκπέμπουν ένα αδύνατο σήμα ραδιοσυχνότητας στην συχνότητα Larmor (με μικρές αποκλίσεις). Το αδύναμο εκπεμπόμενο σήμα RF το οποίο λαμβάνουμε είναι το σήμα μαγνητικού συντονισμού. Το σήμα αυτό φθίνει με την πάροδο του χρόνου και ονομάζεται σήμα ελεύθερης επαγωγικής απόσβεσης (Free Induction Decay). Έπειτα με την εφαρμογή μετασχηματισμού Fourier στο FID (σήμα στο πεδίο του χρόνου) λαμβάνουμε το σήμα στην τελική του μορφή, δηλαδή στο πεδίο των συχνοτήτων.
Κατά την εκτέλεση εξετάσεων MRI ο χωρικός προσδιορισμός των λαμβανόμενων σημάτων γίνεται με την υπέρθεση βαθμιδωτών μαγνητικών πεδίων τα οποία αλλάζουν τοπικά την ισχύ του κύριου πεδίου με αποτέλεσμα την μικρή αλλαγή στην συχνότητα συντονισμού των πυρήνων υδρογόνου. Με αυτό τον τρόπο και την εκπομπή RF παλμών με συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων διεγείρονται συγκεκριμένες περιοχές ( και μπορεί να προσδιορισθεί η θέση τους με βάση τις διαφορές στην συχνότητα και στον ρυθμό περιστροφής των πρωτονίων.
Υπερηχοτομογραφία: Η υπερηχοτομογραφία είναι μία ιατρική απεικονιστική μέθοδος που παράγει εικόνες μερών του ανθρωπίνου σώματος χρησιμοποιώντας τους υπερήχους. Ο υπερηχοτομογράφος είναι ένα μηχάνημα που διαθέτει έναν κεντρικό ηλεκτρονικό υπολογιστή που δέχεται σήματα από έναν πομποδέκτη, τα επεξεργάζεται και τα μετατρέπει σε εικόνες σε ασπρόμαυρη ή έγχρωμη μορφή. Ο πομποδέκτης είναι το περιφερειακό εξάρτημα του μηχανήματος το οποίο στέλνει υπερήχους προς το σώμα με κατεύθυνση που καθορίζει ο εξεταστής και ταυτοχρόνως δέχεται τις ανακλάσεις τους και τις περνά στον υπολογιστή.
Κάθε ιστός του σώματος έχει μια ειδική συμπεριφορά στους υπερήχους κι έτσι ανακλά, διαθλά ή "απορροφά" διαφορετικό ποσό κυμάτων από αυτά που δέχεται. Έτσι ο υπολογιστής αφού δεχτεί τις ανακλάσεις και γνωρίζοντας το ποσό των κυμάτων που στάλθηκαν, αποδίδει ένα χρώμα ή μια απόχρωση του γκρι σε κάθε ιστό και τα εμφανίζει σε μία οθόνη σαν εικόνες. Οι εικόνες αυτές μελετώνται από τον εξεταστή κι αυτός με τη σειρά του εξάγει διαγνωστικά συμπεράσματα.
Πάνω σε αυτές τις βασικές αρχές στηρίζεται η υπερηχοτομογραφία. Τη λέμε τομογραφία επειδή οι υπέρηχοι που στέλνει ο πομποδέκτης είναι σε διάταξη επιπέδου και ο υπολογιστής κάνει εικόνες που μοιάζουν με πραγματικές τομές των εξεταζομένων μερών ή οργάνων.
ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ– ΒΑΣΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ
ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ
Η ψηφιακή επεξεργασία εικόνων είναι μια σύνθετη διαδικασία επεξεργασίας δεδομένων με χρήση υπολογιστή για την επίτευξη συγκεκριμένου στόχου. Είναι η υπολογιστική απεικόνιση όπου η εφαρμογή περιλαμβάνει στην οπτική της αλυσίδα τον άνθρωπο. Με άλλα λόγια, οι εικόνες εξετάζονται και χρησιμοποιούνται από ανθρώπους. Γι’ αυτούς τους τύπους εφαρμογών χρειάζεται η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του ανθρώπινου συστήματος όρασης. Η ψηφιακή επεξεργασία των ιατρικών εικόνων περιλαμβάνει στη γενικότερη περίπτωση πολλά και διαφορετικά στάδια ανάλογα με τη μορφή και την αρχική κατάσταση της ψηφιακής εικόνας και το επιθυμητό τελικό αποτέλεσμα Στη διαδικασία αυτή είναι χρήσιμες οι τεχνικές επεξεργασίας σημάτων, ενώ απαιτείται ο συνδυασμός μαθηματικών μεθόδων και μοντέλων με αντίστοιχες μεθόδους επίλυσης και ανάπτυξη αντίστοιχου λογισμικού. Οι διαδικασίες που αφορούν στην επεξεργασία πολυδιάστατων ιατρικών δεδομένων μπορούν συνοπτικά να περιγραφούν με τις
επόμενες τέσσερις ομάδες.
Προεπεξεργασία: Οι διαδικασίες σε αυτήν την ομάδα χαρακτηρίζονται ως διαδικασίες χαμηλού επιπέδου. Αποσκοπούν στη βελτίωση της ποιότητας απεικόνισης των δομών ενδιαφέροντος και περιλαμβάνον διαδικασίες αφαίρεσης θορύβου, εξομάλυνσης, ενίσχυσης ακμών, αλλά και παρεμβολής για τη βελτίωση της 3D παρουσίασης δομών ενδιαφέροντος. Η είσοδος στις διαδικασίες αυτής της κατηγορίας είναι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων και το αποτέλεσμα είναι πάλι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων.
Εξαγωγή δομών ενδιαφέροντος: Οι αντίστοιχες διαδικασίες χαρακτηρίζονται ως διαδικασίες ενδιάμεσου επιπέδου και έχουν ως στόχο τον προσδιορισμό ενός συστήματος ανατομικών δομών ενδιαφέροντος. Περιλαμβάνουν την εξαγωγή των δομών ενδιαφέροντος από τα δεδομένα, την απόδοση ετικέτας και την ομαδοποίηση των δομών ενδιαφέροντος. Η είσοδος στις διαδικασίες αυτής της κατηγορίας είναι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων και το αποτέλεσμα είναι πάλι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων ή κάποια άλλη υπολογιστική παραμετρική περιγραφή του συστήματος ενδιαφέροντος.
Ανάλυση και αναγνώριση: Οι διαδικασίες αυτής της ομάδας χαρακτηρίζονται ως διαδικασίες υψηλού επιπέδου και δίνουν έμφαση στην ποσοτικοποίηση της μορφολογικής και λειτουργικής πληροφορίας ενός συστήματος και στην ταυτοποίηση συγκεκριμένων δομών με τη βοήθεια κατάλληλης βάσης δεδομένων ή «λεξικού», σύμφωνα με τα ποσοτικοποιημένα χαρακτηριστικά. Η είσοδος σε αυτές τις διαδικασίες είναι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων και
το αποτέλεσμα κάποια ποσοτικά χαρακτηριστικά και ταυτότητες δομών ενδιαφέροντος.
Μοντελοποίηση: Οι διαδικασίες αυτής της ομάδας χαρακτηρίζονται ως διαδικασίες υψηλού επιπέδου και αποσκοπούν στη δημιουργία μοντέλων ανατομικών δομών και στη βέλτιστη δυνατή απεικόνιση και αναπαράσταση της μορφολογίας ή/και της λειτουργίας ενός συστήματος αντικειμένων. Η είσοδος σε αυτές τις διαδικασίες είναι ένα πολυδιάστατο σύνολο δεδομένων ή κάποια άλλη υπολογιστική αναπαράσταση ενός συστήματος αντικειμένων και η έξοδος ένα σύνολο εικόνων που αποδίδουν/αναπαριστούν την πολυδιάστατη δομή ή/και τη λειτουργία του συστήματος.
Επιπλέον, οι διαδικασίες αυτής της ομάδας περιλαμβάνουν και διαδικασίες
διαχείρισης/μοντελοποίησης των δεδομένων που αναφέρονται στην εικονική τροποποίηση των αντικειμένων ενός συστήματος, όπως π.χ. συμβαίνει κατά την προσομοίωση κάποιας χειρουργικής επέμβασης. Η είσοδος σε διαδικασίες διαχείρισης είναι μια υπολογιστική αναπαράσταση ενός συστήματος αντικειμένων και το αποτέλεσμα είναι η υπολογιστική αναπαράσταση του εικονικά τροποποιημένου συστήματος.
ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ
Οι ιατρικές εικόνες περιέχουν συνήθως υψίσυχνο θόρυβο, που οφείλεται σε εξωγενή
φαινόμενα κατά την εξέταση του ασθενούς (π.χ. ηλεκτρομαγνητικά πεδία στο χώρο, κίνηση ασθενούς, αναπνοή) ή/και θόρυβο κατά την επεξεργασία και αποθήκευση των αποτελεσμάτων (π.χ. θόρυβος εξαιτίας του συστήματος δειγματοληψίας ή εξαιτίας του καναλιού μετάδοσης). Ο θόρυβος αυτός είναι ανεπιθύμητος και απαιτείται η αφαίρεσή του, χωρίς όμως την απώλεια σημαντικής ανατομικής ή λειτουργικής πληροφορίας που εμπεριέχεται στην εικόνα. Για τη μείωση του θορύβου, την εξομάλυνση και γενικά τη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας χρησιμοποιούνται τεχνικές που
αποσκοπούν στην παραγωγή εικόνας καταλληλότερης από την αρχική για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.
Η βελτίωση εικόνας έχει σκοπό να τονίσει ή να οξύνει χαρακτηριστικά της εικόνας, όπως
ακμές, όρια και αντιθέσεις ώστε να καθιστά ένα γράφημα πιο εύχρηστο για εμφάνιση και ανάλυση. Η διαδικασία της βελτίωσης δεν αυξάνει την πληροφορία που περιέχεται στα στοιχεία, αλλά αυξάνει τη δυναμική περιοχή επιλεγμένων χαρακτηριστικών, έτσι ώστε να μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν. Η βελτίωση της εικόνας περιλαμβάνει χειρισμό των επιπέδων του γκρι και της αντίθεσης, μείωση του θορύβου, όξυνση των ακμών, φιλτράρισμα, παρεμβολή και μεγέθυνση, ψευδοχρωματισμό κ.τ.λ.
Για τη μείωση του θορύβου και γενικότερα για τη βελτίωση της ποιότητας των εικόνων,
χρησιμοποιούνται συνήθως οι παρακάτω τεχνικές:
Οι τεχνικές που επεξεργάζονται την εικόνα στο πεδίο της συχνότητας και εκμεταλλεύονται το φάσμα της εικόνας,
Οι τεχνικές που επεξεργάζονται την εικόνα στο πεδίο του χώρου και εκμεταλλεύονται τις
γεωμετρικές ιδιότητες της εικόνας και
Οι τεχνικές που εκμεταλλεύονται το συσχετισμό της πληροφορίας από εικόνα σε εικόνα, όπως κατά τη λήψη video (επέκταση στο χρόνο) ή σε ένα σύνολο τομών του ίδιου ασθενή (επέκταση στο χώρο). Τεχνικές για αύξηση ψηφιακής εικόνας χρησιμοποιούνται ευρέως στην ακτινολογία με σκοπό να αυξήσει την αντίθεση των χαρακτηριστικών της εικόνας. Συμβατικές παγκόσμιες μέθοδοι αύξησης, όπως contrast stretching και histogram equalization, παράγουν μια γενική αύξηση αντίθεσης, αλλά συνήθως αποτυγχάνουν να αυξήσουν την αντίθεση των τοπικών χαρακτηριστικών.
Στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφορες τεχνικές που χρησιμοποιούνται συχνά για τη
βελτίωση της ποιότητας ιατρικών εικόνων. Οι τεχνικές αυτές βασίζονται είτε σε σημειακή
επεξεργασία (point processing) και χρησιμοποιούν μόνο τη χρωματική πυκνότητα μεμονωμένων στοιχείων εικόνας είτε στη χρήση κατάλληλων χωρικών φίλτρων.
ΚΑΤΑΤΜΗΣΗ ΕΙΚΟΝΑΣ (IMAGE SEGMENTATION)
Το πρώτο βήμα στην ανάλυση εικόνας, γενικά, είναι η κατάτμηση εικόνας. Η κατάτμηση
υποδιαιρεί μια εικόνα στα τμήματα ή τα αντικείμενα που την αποτελούν. Το σημείο μέχρι το οποίο η υποδιαίρεση συνεχίζεται εξαρτάται από το πρόβλημα το οποίο πρέπει να επιλυθεί. Αυτό σημαίνει ότι η κατάτμηση πρέπει να σταματά όταν τα αντικείμενα ενδιαφέροντος έχουν απομονωθεί. Οι αλγόριθμοι κατάτμησης για μονόχρωμες εικόνες γενικά βασίζονται σε δυο ιδιότητες των τιμών των επιπέδων αμαύρωσης: στην ασυνέχεια και στην ομοιότητα. Στην πρώτη κατηγορία, η προσέγγιση είναι η διαίρεση της εικόνας βασιζόμενη σε αδρές αλλαγές στα επίπεδα αμαύρωσης. Οι βασικές περιοχές ενδιαφέροντος σε αυτήν την κατηγορία είναι η ανίχνευση απομονωμένων σημείων
και η ανίχνευση γραμμών και αιχμών στην εικόνα.
Οι βασικές προσεγγίσεις στη δεύτερη κατηγορία βασίζονται στο thresholding (εφαρμογή
κατωφλίου) στην περιοχή ανάπτυξης και στην περιοχή διάσπασης και απορρόφησης. Η σκέψη της κατάτμησης μιας εικόνας βασισμένη στην ασυνέχεια ή την ομοιότητα των τιμών των επιπέδων αμαύρωσης των pixels της, είναι εφαρμόσιμη τόσο σε στατικές όσο και δυναμικές (χρονικά μεταβαλλόμενες) εικόνες. Στην περίπτωση των δυναμικών εικόνων, η κίνηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένα καλό βοήθημα στη βελτίωση της απόδοσης των αλγορίθμων κατάτμησης.
Οι διάφορες μέθοδοι κατάτμησης που αναλύονται παρακάτω είναι :
1. Ανίχνευση Ακμών
2. Εφαρμογή κατωφλίου
3. Διαχωρισμός Περιοχών
4. Ενεργά Περιγράμματα
5. Τμηματοποίηση με χρήση Τεχνικών Ταξινόμησης
Η κατάτμηση έντασης του ήχου είναι ένα σημαντικό μέρος των βασισμένων σε υπολογιστή ιατρικών εφαρμογών για τη διάγνωση και την ανάλυση των ανατομικών στοιχείων. Με τις γρήγορες προόδους στις ιατρικές μορφές απεικόνισης και τις τεχνικές απεικόνισης έντασης του ήχου, η βασισμένη σε υπολογιστή διάγνωση γίνεται γρήγορα μια πραγματικότητα. Αυτά τα βασισμένα σε υπολογιστή εργαλεία επιτρέπουν στους επιστήμονες και τους παθολόγους να καταλάβουν και να εντοπίσουν τις ανατομικές δομές. Η κατάτμηση έντασης του ήχου διαδραματίζει έναν κρίσιμο ρόλο από τη διευκόλυνση της αυτόματης ή ημιαυτόματης εξαγωγής του ανατομικού οργάνου ή της περιοχής ενδιαφέροντος. Σε αυτήν την αναθεώρηση, παρέχεται μια εισαγωγή στους διάφορους αλγορίθμους κατάτμησης που βρίσκονται στη λογοτεχνία. Η ταξινόμηση των αλγορίθμων γίνεται σε τρεις κατηγορίες: δομικές τεχνικές, στατιστικές τεχνικές και υβριδικές τεχνικές. Κάτω από τις δομικές τεχνικές θα αναθεωρηθούν οι αλγόριθμοι που παίρνουν υπόψη τις δομικές πληροφορίες για την κατάτμηση. Οι πιθανολογικές τεχνικές είναι εκείνες που εκτελούν την κατάτμηση που βασίζεται στις στατιστικές
μεθόδους ανάλυσης και κάτω από τις υβριδικές τεχνικές θα αναθεωρήθούν οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούν τις δομικές πληροφορίες εκτός από τη στατιστική ανάλυση.
ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΑΤΩΦΛΙΟΥ (THRESHOLDING)
Μία από τις βασικές τεχνικές τμηματοποίησης εικόνων είναι η κατωφλίωση. Η κατωφλίωση με βάση κάποιο χαρακτηριστικό της εικόνας, όπως το επίπεδο χρωματικών πυκνοτήτων, είναι μία πολύ σημαντική τεχνική της επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνων, καθώς συχνά αποτελεί το πρώτο βήμα για ανίχνευση -προσδιορισμό αντικειμένων. Πρέπει να αναφερθεί ότι το πρόβλημα της τμηματοποίησης μπορεί να είναι πολύ σύνθετο, λόγω των φαινομένων ύπαρξης θορύβου, σκιών ή άλλων γεωμετρικών παραμορφώσεων. Η κατωφλίωση μπορεί να θεωρηθεί ως μια διαδικασία που περιλαμβάνει ελέγχους και σύγκριση κάποια ιδιότητας των στοιχείων, όπως της τιμής της
χρωματικής πυκνότητας, της υφής κ.ά.
Η κατωφλίωση μπορεί να βασίζεται στη χρήση σταθερού κατωφλίου Τ για όλη την εικόνα
(ολική κατωφλίωση) ή προσαρμοστικού κατωφλίου, του οποίου η τιμή εξαρτάται από τις τοπικές ιδιότητες της εικόνας (προσαρμοστική κατωφλίωση). Έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές για την επιλογή του κατωφλίου, καμία όμως δεν εξασφαλίζει γενική αποτελεσματικότητα. Συνήθως η επιλογή κατωφλίου εμπλέκει ανάλυση του ιστογράμματος της εικόνας. Για παράδειγμα η μέση χρωματική πυκνότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τιμή κατωφλίου. Αν η κατωφλίωση γίνεται με βάση την τιμή του κάθε στοιχείου, μπορεί να υλοποιηθεί είτε ακολουθιακά, με τη συνήθη σάρωση της εικόνας σε γραμμές (raster scan), ή παράλληλα, όπου η επεξεργασία κάθε στοιχείου γίνεται
ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα, με αποτέλεσμα την επιτάχυνση της εκτέλεσης. Κατά τη διαδικασία κατωφλίωσης τα στοιχεία εικόνας (pixels) ή όγκου (voxels) κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες και δημιουργείται μια δυαδική εικόνα.
Η επιτυχία της κατωφλίωσης εξαρτάται σημαντικά από την επιλογή της τιμής κατωφλίου.
Ένα παράδειγμα εφαρμογής σε μαστογραφία και η επίδραση της τιμής του ή των επιλεγόμενων κατωφλίων, με βάση το ιστόγραμμα της εικόνας.
ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΠΕΡΙΟΧΩΝ
Εκτός από την εύρεση των ορίων των περιοχών με βάση ασυνέχειες έντασης, ή με
κατωφλίωση με βάση την κατανομή των χρωματικών πυκνοτήτων των εικονοστοιχείων, υπάρχει μια σημαντική κατηγορία τεχνικών τμηματοποίησης που έχει σαν στόχο τον απευθείας διαχωρισμό των περιοχών. Μία αντιπροσωπευτική τεχνική αυτής της κατηγορίας είναι η ανάπτυξη ή μεγέθυνση περιοχών (region growing). Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, η εικόνα διαιρείται σε πολλές μικρές περιοχές, κάθε μία από τις οποίες αρχικά μπορεί να αποτελείται από ένα μόνο στοιχείο. Στη συνέχεια ταξινομούνται στην ίδια περιοχή όσα γειτονικά στοιχεία έχουν την ίδια ή πολύ κοντινή τιμή κάποιας
ιδιότητας (π.χ. χρωματικής πυκνότητας, υφής) και ελέγχονται τα όρια των περιοχών που
δημιουργήθηκαν, όπως και η διαφορά τιμών εκατέρωθεν των ορίων, συγκρίνοντας με κάποιο κατώφλι. Οι περιοχές που αντιστοιχούν σε μεγάλες μεταβολές διατηρούνται αμετάβλητες, ενώ αυτές που αντιστοιχούν σε μικρότερες ενώνονται σε μεγαλύτερες περιοχές (merging). Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρι την εξάλειψη ασθενών μεταβολών ανάμεσα στις περιοχές, με βάση κάποιο
προκαθορισμένο κατώφλι. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται ένα παράδειγμα εφαρμογής του αλγορίθμου ανάπτυξης περιοχών σε υπολογιστική τομογραφία άνω κοιλίας, με στόχο την απομόνωση του ήπατος. Μια παραλλαγή αυτού του αλγόριθμου τμηματοποίησης βασίζεται στην ανάπτυξη περιοχών με εκκίνηση από καθορισμένο αρχικό σημείο. Συγκεκριμένα, ο χρήστης επιλέγει ένα αρχικό σημείο από το οποίο αρχίζει η ανάπτυξη της περιοχής, καθώς και ένα κατώφλι ομοιότητας που καθορίζει τη μέγιστη επιτρεπόμενη διαφορά χρωματικής πυκνότητας (ή υφής) μεταξύ στοιχείων που ανήκουν
στην περιοχή: Ο αλγόριθμος εξετάζει τα γειτονικά στοιχεία του αρχικού και αν πληρούν το κριτήριο ομοιότητας εισάγονται στην περιοχή ενδιαφέροντος. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για κάθε νέο εισερχόμενο στην περιοχή στοιχείο μέχρι να μην μπορεί να βρεθεί άλλο στοιχείο που να πληροί τελικά το κριτήριο ομοιότητας.
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ
Εικόνα 1: Γενικό μοντέλο ολοκληρωμένου συστήματος μη επεμβατικής απεικόνισης και ανακατασκευής εικόνας
 |
| ακτινογραφία θώρακα |
 |
| Υπερηχωτοµογραφία καρωτίδας (αθηρωµατική πλάκα) |
 |
| Μαγνητική τομογραφία (εγκέφαλος) |
 |
| Η εικονιζόμενη ακτινογραφία ελήφθη στις 23 Ιανουαρίου 1896 και είναι μία από τις πρώτες. Απεικονίζει το χέρι της συζύγου του Βίλχελμ Ρέντγκεν. |
 |
| Αξονική τομογραφία σε ασθενή για εύρεση καρκίνου. Στο εξωτερικό μέρος του αξονικού τομογράφου ένας υπολογιστής δημιουργεί την τρισδιάστατη εικόνα από το εσωτερικό του σώματος από τον ασθενή. |
 |
| Μαγνητικός Τομογράφος (Philips Achieva 3.0 T) |
 |
| Υπερηχογράφημα |
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου