Τεχνολογίες Ηλεκτρονικής Υγείας και Εφαρμογές PDF

Τεχνολογίες Ηλεκτρονικής Υγείας και Εφαρμογές Διάλεξη 5η Ενότητα: Επεξεργασία Ιατρικών Εικόνων Δρ. Ελένη Λαΐτσου Λάρισα, Νοέμβριος 2023 2 Εισαγωγή  Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες σημαντική πρόοδος στην Ιατρική Απεικόνιση  Νέες τεχ...

Τεχνολογίες Ηλεκτρονικής Υγείας και Εφαρμογές Διάλεξη 5η Ενότητα: Επεξεργασία Ιατρικών Εικόνων Δρ. Ελένη Λαΐτσου Λάρισα, Νοέμβριος 2023 2 Εισαγωγή  Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες σημαντική πρόοδος στην Ιατρική Απεικόνιση  Νέες τεχνικές απεικόνισης σε δύο διαστάσεις (2D) και τρεις διαστάσεις (3D) αποτελούν σημαντικό κομμάτι στον τομέα της ακτινολογίας  Ορισμένες διαγνώσεις θα ήταν αδύνατες χωρίς τη βοήθεια της ιατρικής απεικόνισης  Η ταχεία και συνεχής πρόοδος οφείλεται στις μεθόδους ανάλυσης και διάγνωσης με τη βοήθεια του υπολογιστή 3 Η απεικόνιση στην Ιατρική (1)  Η ιατρική απεικόνιση χρονολογείται από το 1895, όταν ο Roentgen ανακάλυψε τις ακτίνες Χ, τη ρίζα της προέλευσης της ακτινογραφίας  Ακτινογραφία: έκθεση μίας μεμβράνης στις ακτίνες Χ που είχαν περάσει από το ανθρώπινο σώμα -> μία δισδιάστατη αναλογική εικόνα, προβολή σε ραδιογραφικό φιλμ οργάνων σε τρεις διαστάσεις  Σήμερα πολλές φορές η ακτινογραφία είναι επαρκής εξέταση για αξιόπιστη διάγνωση και με χαμηλό κόστος  Άλλες απεικονίσεις: σπινθηρογράφημα, αξονική τομογραφία, υπερηχογραφία, μαγνητική τομογραφία 4 Η απεικόνιση στην Ιατρική (2)  Η ηλεκτρονική επεξεργασία και ανάλυση με τις διάφορες τεχνικές απεικόνισης παρέχουν σημαντική βοήθεια στην ιατρική διάγνωση  Στόχος της ιατρικής απεικόνισης είναι να παρέχει πληροφορίες σχετικά με τις φυσιολογικές διεργασίες του σώματος ή των οργάνων χρησιμοποιώντας εξωτερικές ή εσωτερικές πηγές ακτινοβολίας ή συνδυασμό αυτών  Τέσσερις βασικές κοινές τεχνικές απεικόνισης:  Αξονική τομογραφία (CT scan)  Σπινθηρογράφημα και η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET scan)  Υπερηχογραφία  Μαγνητική τομογραφία (MRI) 5 Ακτινογραφία (1)  Χρησιμοποιούν ακτίνες Χ: μια ιονίζουσα ακτινοβολία που είναι περισσότερο ή λιγότερο εξασθενημένη ανάλογα με την πυκνότητα των ιστών που διαπερνά  Η ακτινογραφική ταινία αντικαθίσταται από ηλεκτρονικούς ανιχνευτές, οι οποίοι μειώνουν τις δόσεις της ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της εξέτασης και βοηθούν στην απευθείας ψηφιοποίηση της ακτινογραφίας  Πχ. Ανίχνευση καταγμάτων, παρατήρηση πνευμόνων 6 Ακτινογραφία (2) 7 Αξονική τομογραφία (1)  Αξονικός τομογράφος: μια σειρά από εκπομπούς και υποδοχείς σε έναν κύκλο γύρω από τον ασθενή  Παρέχει μια διαδοχή των δισδιάστατων εικόνων τμημάτων του σώματος  Η ηλεκτρονική ψηφιοποίηση και η επεξεργασία των εικόνων παρέχουν μια τρισδιάστατη αναπαράσταση των οργάνων του σώματος από τα δισδιάστατα τμήματα  Πχ. Δομικές ανωμαλίες ή τροποποιήσεις μεγέθους (αιμορραγίες, όγκοι, εμβολή..) 8 Αξονική τομογραφία (2) 9 Υπερηχογραφία (1)  Μη ιονισμένα ακουστικά κύματα που δεν γίνονται αντιληπτά από ανθρώπινο αυτί  Ένας αισθητήρας πιέζεται στο δέρμα όσο το δυνατόν πιο κοντά στο όργανο που μελετάται  Ο αισθητήρας εκπέμπει υπερήχους που διέρχονται από τους ιστούς και ανακλώνται πίσω στον ανιχνευτή με τη μορφή αντηχήσεων  Οι αντηχήσεις αναλύονται από τον υπολογιστή και μετατρέπονται σε εικόνα υπερήχων  Χρήση στη μαιευτική, ουρολογία, ηπατολογία κ.α. 10 Υπερηχογραφία (2) 11 Σπινθηρογράφημα και PET scan (τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων)  Στην πυρηνική Ιατρική χρησιμοποιείται εσωτερική πηγή ενέργειας για τη δημιουργία εικόνων του ανθρώπινου σώματος  Μικρές ποσότητες ραδιοσυχνοτήτων εγχέονται στο σώμα για να αλληλοεπιδράσουν με τα όργανα ή τους ιστούς που μελετώνται  Μια κάμερα γάμμα σε συνδυασμό με ένα Η/Υ συλλέγει και αναλύει τις ακτίνες γάμμα που εκπέμπονται από ένα ισότοπο  Χρήση σπινθηρογραφήματος: σκελετός, θυρεοειδής, καρδιά, ογκολογία  Χρήση PET scan: καρκίνος του πνεύμονα, της κεφαλής και του τραχήλου 12 Σπινθηρογράφημα μυοκαρδίου 13 Μαγνητική τομογραφία (MRI) (1)  Χρησιμοποιεί εξωτερικό μαγνητικό πεδίο που παράγεται από ένα μαγνητικό πηνίο τοποθετημένο γύρω από τον ασθενή για να διεγείρει τους ατομικούς πυρήνες- στόχους  Τα διεγερμένα πρωτόνια υδρογόνου μετατρέπονται σε μια εσωτερική πηγή ενέργειας που παρέχει ηλεκτρομαγνητικά σήματα  Αυτά τα σήματα καταγράφονται και μετατρέπονται σε εικόνες  Παρέχει εικόνες υψηλής ανάλυσης μαλακών ιστών (πχ. Εγκέφαλος, νωτιαίος μυελός, μύες, τένοντες, σπλάχνα) με εξαιρετική ακρίβεια  Ακριβή εξέταση, αλλά δικαιολογείται καθώς καταφεύγουν σε αυτή όταν προκύπτουν αμφιβολίες από άλλες εξετάσεις 14 Μαγνητική τομογραφία (MRI) (2) 15 Επεξεργασία - Ανάλυση εικόνων  Περιλαμβάνει ευρύ φάσμα μεθόδων που επιδρούν σε μια εικόνα προκειμένου να δημιουργήσουν μια άλλη εικόνα  Σκοπός: ▪ Βελτίωση της ορατότητας των χαρακτηριστικών και λεπτομερειών των εικόνων ▪ Διευκόλυνση της ανάλυσης αυτών των εικόνων ▪ Βελτίωση της ποιότητας των εικόνων, πχ. Για εκτύπωση ▪ Απόκτηση ψηφιακών δεδομένων από εικόνες μέσω ενός συνδυασμού τεχνικών επεξεργασίας ▪ Αναλύονται στατιστικά για τη λήψη αποφάσεων και για γραφικές παραστάσεις 16 Ψηφιακές εικόνες (1)  Οι φυσικές σκηνές του πραγματικού κόσμου περιέχουν συχνές παραλλαγές χρωμάτων και φωτεινής ακτινοβολίας  Μπορούν να περιγραφούν με αναλογικά σήματα που αντιστοιχούν στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία  Για να επεξεργαστούν από υπολογιστές θα πρέπει να ψηφιοποιηθούν  Ο μετασχηματισμός ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό απαιτεί δύο επίπεδα: ▪ Διακριτικοποίηση στο χώρο (δειγματοληψία). Σε δύο διαστάσεις, η δειγματοληψία καθορίζει το μέγεθος ή ανάλυση της εικόνας, δηλ. το ύψος και το πλάτος ▪ Ποσοτικοποίηση της φωτεινής ακτινοβολίας: διακριτή ευκρίνεια των επιπέδων του γκρίζου χρώματος για τις μονόχρωμες εικόνες ή του πλήθους χρωμάτων για τις έγχρωμες εικόνες 17 Ψηφιακές εικόνες (2)  Το αποτέλεσμα των δύο βημάτων είναι μια ψηφιακή εικόνα που αποτελείται από εικονοστοιχεία pixels (picture elements).  Ο αριθμός των pixels εξαρτάται από το βήμα της δειγματοληψίας  Ο αριθμός των τιμών που μπορεί να έχει ένα στοιχείο εξαρτάται από την ποσοτικοποίηση  Μια ασπρόμαυρη εικόνα έχει επίπεδα γκρίζου χρώματος. Η τιμή ενός εικονοστοιχείου είναι ένας ακέραιος αριθμός ▪ Γενικά, η τιμή ενός εικονοστοιχείου κωδικοποιείται σε 8 bits, 28 = 256 διαφορετικές τιμές, από 0 (μαύρο) έως 255 (λευκό) ▪ Για περισσότερα γκρίζα επίπεδα, χρησιμοποιούνται 16 bits, 216 = 65536 διαφορετικά επίπεδα γκρίζου χρώματος  Ψηφιακές εικόνες (3) 18 a shows the brain MRI, in which the red rectangle is a region of 4 × 4 pixels. b: represents the grayscale value of pixels in this region Content available from Evolutionary Intelligence  Ιστόγραμμα (1)  Το ιστόγραμμα μιας εικόνας δείχνει την κατανομή των εικονοστοιχείων στην εικόνα.  Δισδιάστατη γραφική αναπαράσταση, όπου ▪ Άξονας X: οι τιμές που μπορεί να έχουν τα εικονοστοιχεία, από 0 έως 255 ▪ Άξονας Υ: ο αριθμός των εικονοστοιχείων που παρουσιάζονται στην εικόνα 19 20 Ιστόγραμμα (2)  Το ιστόγραμμα δείχνει αμέσως αν η εικόνα είναι μάλλον φωτεινή ή μάλλον σκοτεινή  Χρησιμοποιείται στην αρχική προ-επεξεργασία για να διευκολυνθεί η μετέπειτα ανάλυση της  Δεν παρέχει πληροφορίες για την χωρική κατανομή των εικονοστοιχείων  Δυο διαφορετικές εικόνες μπορούν να έχουν το ίδιο ιστόγραμμα 21 Έγχρωμη εικόνα  Μια έγχρωμη εικόνα μπορεί να αποσυντεθεί σε τρία βασικά χρώματα  Το βασικό χρωματικό κανάλι: Red, Green, Blue (RGB)  Σύστημα πρόσθετων χρωμάτων: οποιοδήποτε χρώμα μπορεί να επιτευχθεί προσθέτοντας διαφορετικές αναλογίες αυτών των τριών βασικών χρωμάτων  Η τιμή ενός εικονοστοιχείου, ένα διάνυσμα με τρία συστατικά, ένα για κάθε πρωτεύον χρώμα. Συνολικά, 28 x 28 x 28 = 16.777.216 διαφορετικά χρώματα  Υπάρχουν και άλλα χρωματικά κανάλια, όπως: ▪ HSI, (Hue Saturation Intensity - Απόχρωση Κορεσμός Ένταση) ▪ CMYK (Cyan Magenta Yellow Black) 22 Ψευδή χρώματα  Στη διαγνωστική ιατρική απεικόνιση, οι εικόνες εμφανίζουν σε γκρίζα επίπεδα τις φυσικές ιδιότητες του σώματος μέσω των οποίων περνούν οι ακτίνες  Οι απεικονίσεις της αξονικής τομογραφίας αντιπροσωπεύουν την εξασθένιση των ακτίνων Χ, όταν διέρχονται από το εξεταζόμενο σώμα  Προστίθενται ψευδή χρώματα για να διακρίνονται καλύτερα τα χαρακτηριστικά μιας εικόνας Πχ. Εικόνες υπερήχων doppler. Χρωματίζεται η ροή του αίματος με κόκκινο ή μπλε χρώμα 23 Υπερηχογράφημα Doppler – Wikihealth.gr Πνευματικά δικαιώματα: (c) Faustasyan | Dreamstime.com 24 Συμπίεση εικόνων (1)  Παρόλο που οι δυνατότητες των υπολογιστών, σκληρών δίσκων, δικτύων αυξάνεται η συμπίεση των εικόνων είναι απαραίτητη για τις αυξανόμενες ανάγκες αποθήκευσης και μετάδοσης  Ένας μεγάλος αριθμός από terabytes εικόνων παράγεται κάθε χρόνο από μια πλατφόρμα απεικόνισης  Κύρια ιδιότητα του αλγορίθμου συμπίεσης: η αναλογία συμπίεσης Πχ. Μια εικόνα μεγέθους 256x256 απαιτεί 65.536 bytes (μη συμπιεσμένη μορφή) και 16.384 (συμπιεσμένη μορφή). Αναλογία 4:1 ή 75% (ποσοστό του όγκου του αποθηκευμένου αρχείου) 25 Συμπίεση εικόνων (2)  Βασικό κριτήριο: η ταχύτητα συμπίεσης και αποσυμπίεσης  Αξίζει μόνο, αν: Χρόνος για τη μετάδοση της ασυμπίεστης εικόνας > (Χρόνος συμπίεσης + Χρόνος μετάδοσης συμπιεσμένης εικόνας + Χρόνος αποσυμπίεσης)  Δύο ειδών αλγόριθμοι: ▪ Αλγόριθμοι συμπίεσης με απώλειες ▪ Αλγόριθμοι συμπίεσης χωρίς απώλειες  Διαφορετική η αρχική από την τελική εικόνα στην περίπτωση αλγορίθμου συμπίεσης με απώλειες 26 Συμπίεση χωρίς απώλειες  Συμπιεσμένα αρχεία από τα οποία μπορεί να ανακατασκευαστεί η αρχική εικόνα  Κωδικοποίηση Huffman: βάση πολλών αλγορίθμων συμπίεσης. Κωδικοποιεί εικονοστοιχεία που εμφανίζονται συχνά με λιγότερα δυαδικά ψηφία από αυτά που χρησιμοποιούνται για σπάνια εικονοστοιχεία  Στην ιατρική απεικόνιση συνήθως η συμπίεση σχετικά χαμηλή (< 50%), επειδή δεν περιλαμβάνουν επαναλαμβανόμενα πρότυπα 27 Συμπίεση με απώλειες  Στην ιατρική απεικόνιση είναι χρήσιμη η συμπίεση εικόνας με διαφορετική ποιότητα εντός και εκτός μιας περιοχής ενδιαφέροντος  Η περιοχή ενδιαφέροντος (τα όργανα που μελετώνται για τη διάγνωση) πρέπει να συμπιέζεται χωρίς λάθος  Παραδείγματα αλγορίθμων κωδικοποίησης με συμπίεση: JPEG (έκδοση με και χωρίς απώλειες), GIF, TIFF, PNG 28 Πρότυπο DICOM (1)  Digital Imaging and Communications in Medicine – Ψηφιακή απεικόνιση και επικοινωνίες στην Ιατρική  Αναπτύχθηκε με πρωτοβουλία των κατασκευαστών συστημάτων ιατρικής απεικόνισης και της Ένωσης Αμερικάνων Ακτινολόγων  Ένα πρότυπο που χρησιμοποιείται παγκοσμίως σε συστήματα ιατρικής απεικόνισης και κυριάρχησε στη μεταφορά των ιατρικών εικόνων.  Έχει ενσωματώσει τις απαιτήσεις των ήδη υπαρχόντων δικτύων. Πρόκειται για χιλιάδες σελίδες παρόλο που περιορίζεται στις απολύτως απαραίτητες διευκρινίσεις.  Παρέχει κανόνες για ανταλλαγή δεδομένων και σωστή επικοινωνία μεταξύ: μηχανημάτων, υπολογιστών και νοσοκομείων, σύμφωνα με οδηγίες της National Electronic Manufacturer’s Association, NEMA http://medical.nema.org/ 29 Πρότυπο DICOM (2)  Περιλαμβάνει πρότυπα επικοινωνίας που συμμορφώνονται με το μοντέλο διασύνδεσης ανοικτών συστημάτων (OSI)  Έχει δημιουργηθεί με αντικειμενοστραφή λογική  Αρχείο DICOM: ▪ Επικεφαλίδα: δεδομένα που αφορούν τον ασθενή, τον τύπο της εικόνας, τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται, τις συνθήκες απόκτησης της εικόνας ▪ Εικόνα: μπορεί να είναι πάνω από δύο διαστάσεων (3D ή σε κίνηση). Είναι δυνατή η συμπίεση της με κωδικοποίηση χωρίς/ ή με απώλειες 30 Πρότυπο DICOM (3)  Το πρωτόκολλο DICOM διαχωρίζει τα δεδομένα σε 3 κύρια αντικείμενα, (το καθένα με τη δική του φόρμα - μορφή): ασθενείς, μελέτες, εικόνες  Χρησιμοποιείται για: Παραγωγή, αποθήκευση, μετάδοση, αναζήτηση, ανάκτηση και εμφάνιση ιατρικών εικόνων  Αφορά όλους τους κλάδους που παράγουν ιατρικές εικόνες: Ακτινολογία, καρδιολογία, ογκολογία και νευρολογία  Συνεχιζόμενες εξελίξεις του προτύπου για τη βελτίωση της ασφάλειας και των επιδόσεων 31 PACS  Picture Archiving and Communication Systems - Σύστημα αρχειοθέτησης και μετάδοσης ιατρικών εικόνων  Απαιτούν υπολογιστές, δίκτυα και συστήματα απεικόνισης  Προορίζονται για την αποθήκευση, πρόσβαση και ανταλλαγή ιατρικών εικόνων με τη μορφή αρχείων DICOM  Τα πληροφοριακά συστήματα των Νοσοκομείων (Hospital Information Systems - HIS) περιλαμβάνουν τα PACs συνήθως μέσω των Ακτινολογικών πληροφοριακών συστημάτων (Radiology Information Systems – RIS) που περιλαμβάνουν και άλλα δεδομένα (διαχείριση διοικητικών πληροφοριών για τους ασθενείς) εκτός από εικόνες  Τέλος Ενότητας Βιβλιογραφία: «Η Επεξεργασία Ιατρικών Εικόνων, Βασικές Αρχές, Κύριες Εφαρμογές και Προοπτικές», L.Legrand από το βιβλίο «Η Πληροφορική στην Ιατρική – eHealth: Βασικές αρχές και εφαρμογές»