Obrazowanie

Obrazowanie cz.1.­ opr. Ewa A.Paulo
cz.ćwicz. – Rafał Wasiak
Obrazowanie
Najstarszą znaną techniką obrazowania struktur anatomicznych jest klasyczna rentgenografia, wykorzystująca różne pochłanianie przez różne tkanki wiązki promieni X. Promienie te padają następnie na powierzchnię materiału światłoczułego (filmu rentgenowskiego), tworząc obraz. Obraz taki (po wywołaniu filmu) oceniany jest przez lekarza radiologa. Techniką uzupełniającą dla rentgenografii jest skopia rentgenowska, wykorzystująca zamiast filmu analogowy przetwornik obrazu (lampa zamieniająca promienie X na światło widzialne) oraz tor telewizyjny (kamera ­ monitor), pozwalający na oglądanie wnętrza organizmu w czasie rzeczywistym. Wadą skopii jest niska rozdzielczość geometryczna, wynikająca z parametrów typowych urządzeń telewizyjnych. Pojawienie się w latach 70­tych i wczesnych 80­tych nowych metod obrazowania, takich jak MRI, USG, TK wprowadziło do medycyny diagnostycznej było możliwe dzięki technologii komputerowej. W nowych systemach obrazowania dane obrazowe posiadały już postać cyfrową, natomiast w tradycyjnej radiografii obraz rejestrowany był tylko na filmie rtg. MR, MRI ­ Badanie to umożliwia w sposób całkowicie nieinwazyjny ocenę struktur anatomicznych całego człowieka w dowolnej płaszczyźnie i także trójwymiarowo, a szczególnie dobrze ocenę ośrodkowego układu nerwowego (mózg i kanał kręgowy) i tkanek miękkich kończyn (tkanki podskórne, mięśnie i stawy). Obecnie jest to metoda pozwalająca w najlepszy sposób ocenić struktury anatomiczne oraz ewentualną patologię z dokładnością do kilku milimetrów. Badanie służy także nieinwazyjnej ocenie naczyń całego organizmu (tzw. angiografia rezonansu magnetycznego). W angiografii rezonansu magnetycznego przy pomocy aparatu do rezonansu magnetycznego i bez użycia środka kontrastowego (w sposób nieinwazyjny) można otrzymać obraz naczyń krwionośnych i ocenić ewentualne patologie (np. tętniaki, naczynia patologiczne, itp.). Uruchamiając odpowiedni program w komputerze można uzyskać obraz układu tętnic lub żył organizmu. USG ­ Współczesna diagnostyka medyczna stosuje często w badaniach specjalistyczne urządzenia. W ultrasonografii (USG) wykorzystuje się aparat wysyłający fale ultradźwiękowe, co umożliwia obejrzenie wnętrza wielu narządów naszego ciała.
Urządzenie do przeprowadzania badania USG składa się z dwóch części: głowicy (podczas badania trzyma ją lekarz) pełniącej funkcję nadajnika i odbiornika fal ultradźwiękowych oraz aparatu przetwarzającego odebrane sygnały w obraz. Fale ultradźwiękowe docierają do narządów wewnętrznych, które w różny sposób pochłaniają lub odbijają wiązkę ultradźwięków, co po analizie komputerowej odbierane jest jako ciąg ciemniejszych lub jaśniejszych punktów. Zebrane razem na monitorze tworzą zarys badanego narządu.
TK ­ Wśród metod obrazowania narządów i tkanek o bardzo dużej dokładności i szczegółowości wymienia się tomografię komputerową (TK). Istotą tej techniki wizualizacyjnej jest odwzorowanie narządów w przekrojach, warstwami, czyli wykonywanie zdjęć tomograficznych (tomos ­ dzielący, graphos ­ zapis). Dzięki nim można zlokalizować ognisko chorobowe nawet kilkumilimetrowej średnicy, a obrazy narządów przedstawić z dokładnością zbliżoną do obrazów przedstawianych w atlasie.
1
Obrazowanie cz.1.­ opr. Ewa A.Paulo
cz.ćwicz. – Rafał Wasiak
Główne zastosowanie metod obrazowania to:
1.
Wizualizacja (czy widoczne są symptomy choroby)
2.
Analiza ilościowa (wszelkiego rodzaju pomiary np. wielkości organów czy zmian chorobowych)
3.
Lokalizacja (gdzie znajduje się dana zmiana, jaką wybrać drogę dostępu – stąd np. rozwój badań 3D)
Jakość obrazów medycznych jest bezpośrednio związana z metodą obrazowania, własnościami konkretnych urządzeń oraz wartościami zmiennych parametrów systemu dobieranymi przez operatora. Składa się na nią, co najmniej pięć istotnych elementów: kontrast, rozdzielczość, stosunek sygnału użytecznego do szumów, poziom artefaktów oraz zniekształcenia przestrzenne. 1.
2.
3.
4.
5.
Kontrast określa różnice w zaczernieniu (gęstości optycznej) naświetlonej i wywołanej błony rentgenowskiej spowodowane przez osłabienie promieniowania przechodzącego przez różne struktury ciała, np. powietrzne płuca i części miękkie.
Ostrość obrazu jest to zdolność do wyraźnego zarysowania granic badanych struktur anatomicznych. Jest to ważna cecha obrazu, gdyż każda postać nieostrości powoduje obniżenie poziomu technicznego zdjęcia i utrudnia rozpoznanie szczegółów.
Rozdzielczość obrazu wiąże się nierozerwalnie z ostrością zarysów uwidocznionych struktur, może być określona jako najmniejsza odległość w mm między dwoma punktami obrazu, które można wyraźnie uwidocznić.
Poziom artefaktów ­ w technikach komputerowych, artefakty odnoszą się najczęściej do komputerowego tworzenia lub przetwarzania np. obrazu. Są to wady będące skutkami ubocznymi zastosowania poszczególnych algorytmów. Przykładami artefaktów w technikach komputerowych są wynikające ze stosowania algorytmów stratnej kompresji danych np. JPEG. Objawiają się jako nierealistyczne i zauważalnie sztuczne wady w oglądanym obrazie. Im większa kompresja, tym mniejszy rozmiar pliku, ale za to coraz wyraźniejsze artefakty.
Zniekształcenia przestrzenne
Etapy obrazowania
1. Akwizycja obrazu – uzyskiwanie informacji w wyniku działania procesów fizycznych np. promieniowania.
2. Przechowywanie obrazu – na kliszy lub w pamięci komputera. 3. Transmisja obrazu – np. z oddziału radiologii do klinik.
4. Przetwarzanie (przekształcanie) obrazu – komputerowe np. usunięcie artefaktów, kompresja zniekształceń.
5. Analiza obrazu – np. automatyczne odnajdywanie komórek nowotworowych na obrazie.
Przetwarzanie i analiza obrazu:
1. Przetwarzanie całościowe np. wyostrzenie różnic poprzez odpowiednie zmiany jasności – celem jest poprawa jakości. 2. Segmentacja ­ wydzielanie interesujących obszarów (ROI – region of interest) 3. Wykrywanie cech ­ uzyskiwanie informacji liczbowych z zakreślonych wcześniej obszarów. 4. Klasyfikacja, czyli automatyczne rozpoznawanie, czemu odpowiada dany obszar. 2
Obrazowanie cz.1.­ opr. Ewa A.Paulo
cz.ćwicz. – Rafał Wasiak
Bardzo ważnym aspektem wykorzystania sieci komputerowych w medycynie jest wymiana informacji o pacjencie. Dane te stanowią głównie informacje diagnostyczne (obrazy medyczne, dane tekstowe, sygnały medyczne, itp.) niemniej istotne są również elementy zarządzania ruchem pacjentów jak i całą jednostką opieki zdrowotnej. Rozwijające się sieci komputerowe doprowadziły do powstania wielu algorytmów zdalnej wymiany danych, opracowanych głównie przez profesjonalne firmy komercyjne. Poszczególne rozwiązania to specyficzne dla danych firm formaty wiadomości, formaty danych, typy danych, itp. Problem pojawia się wówczas, gdy istnieje potrzeba połączenia kilku systemów w jeden funkcjonalny system szpitalny (np. tworzenie HIS (Hospital Information System) w oparciu o RIS (Radiological Information System), LIS (Laboratory Information System), PACS (Picture­Archiving and Communication System – System archiwizacji i przesyłania obrazu.
Konieczne jest, więc określenie interfejsów i słowników konwersji danych. Znacznie jednak lepszym rozwiązaniem jest opracowanie norm wymiany danych medycznych przez sieć, norm na tyle uniwersalnych i otwartych, aby na ich podstawie można było efektywnie połączyć systemy pracujące na różnych platformach sprzętowo ­ programowych. W ciągu ostatnich 10 lat opracowano dwa podstawowe dziś standardy wymiany danych w medycynie: HL7 i DICOM. Opracowany jako pierwszy standard Health Level 7 ­ HL7 określa zasady wymiany danych w medycynie definiując system komunikacji, formaty wiadomości, itp. Norma ta nie określa jednak zasady komunikacji i wymiany obrazów w medycynie. Dziedziną tą zajmuje się norma Digital Imaging and Communication in Medicine DICOM. Obydwie normy bazują na modelu Open System Interconection opracowanym przez ISO i w sposób szczególny opierają się o protokoł TCP/IP. Wybór tego protokołu powoduje, że coraz większą popularnością cieszą się systemy wymiany danych pracujące w ramach Intranetów i Internetu. Norma DICOM ­ Digital Imaging and Communication in Medicine­
­ jest standardem wymiany informacji w diagnostyce medycznej.
Oprogramowanie pracujące w tym standardzie umożliwia pełne obrazowanie wszystkich typów badań z zakresu klasycznej diagnostyki: RTG, USG, CT, MR. Najnowsze rozwiązanie DICOM (2001) przewiduje możliwość synchronizacji badań z różnymi sygnałami: EKG, EEG. Standard DICOM został opracowany przez American College of Radiology (ACR) oraz National Electrical Manufacturers Association (NEMA) przy współpracy z wieloma organizacjami międzynarodowymi i firmami komercyjnymi. Pierwsze rozdziały normy (9 książek) powstało w 1993 roku kolejne w 1995 roku (aktualna wersja 3.0). Norma wciąż się rozwija, ponieważ wciąż rozwijana jest technika obrazowania, sieci komputerowe, itp. 3
Obrazowanie cz.1.­ opr. Ewa A.Paulo
cz.ćwicz. – Rafał Wasiak
Podstawowe cele DICOM­u to:
1. Promocja wymiany obrazów medycznych i informacji powiązanych poprzez niezależne od producenta media.
2. Umożliwienie rozwoju systemów archiwizacji i wymiany danych przez sieć oraz możliwość współpracy z innymi systemami szpitalnymi jak np. HL7.
3. Umożliwienie stworzenia diagnostycznych baz danych, które mogą podlegać wymianie w celu podniesienia poziomu efektywności diagnostycznej.
Budowę normy DICOM prezentuje poniższy rysunek:
Wymiana danych bazująca na normie DICOM opiera się na architekturze klient­serwer (sieć komputerowa) oraz na wymianie danych poprzez fizyczne media (nośniki) np. dyski MO, CD­ROM, dyskietki 1.44MB, i inne. Dla obydwu przypadków należy zdefiniować:
1. Reprezentację danych (format danych),
2. Rodzaj usług ­ serwisów (np. read, write, send, ...).
Zgodnie z normą dwa połączone systemy muszą określić rolę (Rys.2), jaką pełnią w procesie komunikacji (tzn., który system jest serwerem, tu. "Service Class Provider", a który klientem, tu "Service Class User"). Dodatkowo systemy muszą ustalić metodę transferu danych, co ogólnie określa metodę kodowania przesyłanych danych (little endian, big endian, JPEG). W przypadku nośników fizycznych tworzony jest na każdym z nich plik DICOMDIR przechowujący informacje o każdym pliku DICOM stworzonym na danym nośniku.
Rys. 2. Wymiana danych zgodnie z DICOM.
4
Obrazowanie cz.1.­ opr. Ewa A.Paulo
cz.ćwicz. – Rafał Wasiak
Norma DICOM jest dzisiaj powszechnie implementowana w systemach obrazowania w medycynie.
Formaty plików
Format to reguły obowiązujące zapisem informacji danego typu. Inaczej mówiąc to wzorzec, szablon. Format pliku to ustalony sposób zapisu informacji w pliku danego typu. Sposób zakodowania informacji lub danych zależy od zastosowanej aplikacji. Format pliku może być powszechnie znany, jak też utajniony przez producenta programu. Do najczęściej stosowanych formatów plików do zapisu grafiki, należą: BMP, GIF, JPEG, PNG. Często format pliku jest określany przez jego rozszerzenie. Formaty plików graficznych można podzielić na:
­ formaty przechowujące grafikę rastrową oraz ­ formaty przechowujące grafikę wektorową. Z kolei formaty przechowujące grafikę rastrową można podzielić na:
­ stosujące kompresję stratną, ­ stosujące kompresję bezstratną oraz ­ nie stosujące kompresji.
Kompresja obrazów
Kompresja, czyli zmniejszanie wielkości cyfrowego pliku.
W dobie rozwoju technologii sieciowych istotnym problem stało się przesyłanie informacji w postaci obrazu o wysokiej zdolności rozdzielczej, a w związku z tym wymagających znacznych zasobów pamięci. Staje się to szczególnie istotnie wtedy, gdy to właśnie obraz, a nie tekst bądź dane liczbowe są głównym nośnikiem informacji. Diagnostyka medyczna, zdjęcia satelitarne, analiza danych geologicznych to tylko niektóre dziedziny, w których przesyłanie informacji w postaci obrazu jest głównym a często jedynym istotnym elementem analizy badanych układów.
Najstarszą i najpowszechniej stosowaną metodą jest kompresja obrazów, pierwotnie utworzona bitmapa jest zamieniana w zależności od parametrów barw i rozmiarów danych w formaty o zagęszczonej wielkości zapisu. Tak, więc zmniejszanie wielkości cyfrowego pliku, pozwala wprawdzie łatwiej przechowywać i przesyłać dane, ale w przypadku zdjęć kompresja wiąże się z utratą części informacji. Ogólny podział metod kompresji obrazu:
1. Kompresja bezstratna
2. Kompresja stratna
Kompresja bezstratna (ang. lossless compression) to ogólna nazwa takich metod upakowywania informacji do postaci zawierającej zmniejszoną liczbę bitów tak, aby całą informację dało się z tej postaci odtworzyć do identycznej postaci pierwotnej. I na takiej właśnie kompresji zależy nam w medycynie. Formaty plików rastrowych wykorzystujące bezstratną kompresję: TIFF, BMP, PCX, PND – wykorzystywane do zapisania obrazu przeznaczonego do dalszej edycji, bądź do druku – TIFF.
5
Obrazowanie cz.1.­ opr. Ewa A.Paulo
cz.ćwicz. – Rafał Wasiak
Kompresja stratna to metody zmniejszania ilości bitów potrzebnych do wyrażenia danej informacji, które nie dają gwarancji, że odtworzona informacja będzie identyczna z oryginałem. Formaty plików rastrowych wykorzystujące stratną kompresję: GIF, JPEG – stosowane najczęściej do publikowania grafiki w Internecie.
Formaty grafiki rastrowej stosujące
a) kompresję stratną:
1. JPEG (Joint Photographic Experts Group) ­ niewątpliwie najpopularniejszy format plików graficznych z kompresją stratną; używany zarówno w sieci Internet (obsługiwany przez prawie wszystkie przeglądarki), jak i w aparatach cyfrowych oraz skanerach, 2. JPEG 2000 ­ nowsza wersja formatu JPEG, oferująca lepszą kompresję, 3. TIFF (Tagged Image File Format) ­ popularny format plików graficznych udostępniający wiele rodzajów kompresji (zarówno stratnej jak i bezstratnej). b) bezstratną: 1. PNG (Portable Network Graphics) ­ popularny format grafiki (szczególnie internetowej); obsługiwany przez większość przeglądarek WWW; obsługuje przezroczystość, 2. GIF (Graphics Interchange Format) ­ popularny format grafiki (szczególnie internetowej); obsługiwany przez prawie wszystkie przeglądarki WWW; może przechowywać wiele obrazków w jednym pliku tworząc z nich animację, 3. TIFF (Tagged Image File Format) ­ popularny format plików graficznych udostępniający wiele rodzajów kompresji (zarówno stratnej jak i bezstratnej),
4. JPEG2000 ­ jest to nowy format rozwijany od kilku lat (1997 rok ustalenie standardu), który umożliwia sterowanie procesu kompresji np. przez dołączenie ROI oraz dekompresji np. sterowanie rozdzielczością, jakością obrazu. Zastosowanie tego formatu jest daleko różne od kompresji grafiki do wykorzystania na stronach WWW, bardzo często obrazy z wykorzystaniem tej metody kompresji stosowane są w DICOM.
c) nie stosujące kompresji:
1. BMP (BitMaPa) – „zwykła” mapa bitowa, używana przez system Windows, 2. XCF (eXperimental Computing Facility) ­ mapa bitowa programu GIMP ­ może przechowywać wiele warstw, 3. XPM ­ format zapisu plików przy pomocy znaków ASCII.
6
Obrazowanie cz.1.­ opr. Ewa A.Paulo
cz.ćwicz. – Rafał Wasiak
Formaty grafiki wektorowej:
1.
2.
3.
SVG (Scalable Vector Graphics) ­ format oparty na języku XML ­ promowany jako standard grafiki wektorowej; umożliwia tworzenie animacji, Macromedia Flash ­ prawdopodobnie najpopularniejszy format grafiki wektorowej (szczególnie popularny w Internecie); umożliwia tworzenie animacji, EPS (Encapsulated PostScript) ­ format Postscript z pewnymi ograniczeniami. 7