If you can't read please download the document
Upload
doquynh
View
226
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
FUNDAMENTE DESISTEME BIOLOGICE I
INFORMATIC MEDICAL
Cursul 609-11-2010
.l.dr.ing. Adriana [email protected]
www.aut.upt.ro/~adrianaa
mailto:[email protected]
2
Imagini medicaleUtilizarea imaginilor medicale nprocesul de diagnoz
Coninut
3
IMAGINI MEDICALE
4
Imagini medicale
Atunci cnd are loc analizarea strii desntate a unui pacient, n majoritatearamurilor medicale, un rol deosebit deimportant l au imaginile zonelor investigatePot scoate n eviden leziuni i nereguli carenu sunt depistate prin alte metode (analizasimptomelor sau a testelor de laborator)
5
Imagini medicale
Cele mai utilizate tehnici de obinere aimaginilor medicale:
ultrasonografialaparoscopiarezonana magnetic nuclear (RMN)tomografia computerizat (CT)
6
Ultrasonografia
Ultrasonografia (ecografia)metod de explorare rapid, simpl i sigurmetoda prin care sunt vizualizate diferitele organei esuturi ale corpului uman cu ajutorulultrasunetelorprezint avantajul c nu are contraindicaii,deoarece razele sunt din punct de vedere fizicsunete cu frecven att de nalt nct nu pot fiauzite
7
Ultrasonografia
Componentele unuiecograf:
transductor (sond)consola care include uncomputer i compo-nente electronicemonitor TVaccesorii pentru stocareimagini, transmisie,printare
8
Ultrasonografia
Piesa principal este transductorulemite ultrasuneteleprimete ecourile returnate de esuturile iorganele prin care au trecut
Imaginile ecograficese obin n timp real e posibil s se vizualizeze structura i micareaorganelor interne
9
Ultrasonografia
Principiulasemntor cu principiul de funcionare al unuiaparat radarun puls de ultrasunete cu frecvena de 115 MHzeste trimis de la nivelul transductoruluieste reflectat la contactul cu marginile esutuluiinvestigat sub form de ecourimsurarea timpului care trece pn larentoarcerea ultrasunetelor permite calculareadistanei pn la grania de esut la care are locreflectarea undei incidente
10
Ultrasonografia
Progresele tehnologice au permis dezvoltareaecografiei 3D n care reflexia ultrasuneteloreste vizualizat tridimensionalEcografia 4D reprezint vizualizarea uneiimagini 3D n micare
11
Utilizarea ultrasonografiei
Vizualizareorbita i globul ocular;vasele mari ale gtului;tiroida i glandele paratiroide;cordul;glanda mamar (snul);organele abdominale ficat, vezicul biliar,splin, pancreas, rinichi;organele pelvine uter, ovare, prostat, veziculeseminale;
12
Utilizarea ultrasonografiei
vasele mari abdomino-pelvine aorta, arterelerenale, vena port, vena splenic, arterele iliace;sarcina normal i patologic;testiculele.
ghidarea procedurilor intervenionaleobinerea unei probe de esut pentru analizaanatomo-patologicevacuarea unor colecii fluide de tipul chisturilorsau abceselor
13
Laparoscopia
Procedur chirurgicalFolosete un tub subire, luminat, numitlaparoscop
este introdus in abdomen printr-o mica incizie lanivelul peretelui abdominal
Este folosita pentruexaminarea organelor abdominale sau genitaleinternediagnosticul unor afeciuni precum chisturile,fibroamele i infeciile
14
Laparoscopia
Laparoscopulpoate fi folosit i pentru recoltarea unor probe deesut pentru biopsiei se pot ataa i alte instrumente, precum foarfecelechirurgical
Laparoscopiaelimina necesitatea unei operaii extensive care arnecesita o incizie mare a abdomenuluiimplica riscuri mai micieste mai puin costisitoarepoate fi efectuat fr a necesita spitalizare
15
Rezonana magnetic nuclear (RMN)
Tehnica radiologicaFolosete
magnetismulundele radioun computer
Transpune in imagini structurile organismuluiScannerul RMN
tub foarte marenconjurat pe interior de un magnet circulargigantic
16
Rezonana magnetic nuclear
Pacientul trebuie s se ntind pe o masmobil care va fi introdus n interiorulmagnetului
17
Rezonana magnetic nuclear
Se creeaz un cmp magnetic puternic cucapacitatea de a alinia protonii din atomii dehidrogenOdat aliniai, acetia vor fi expui undelorradio, care rotesc diveri protoni dinorganism, situaie ce duce la formarea unuisemnal captat de unul dintre capetele RMN-ului prevzut cu un receptorDe la receptor informaiile ajung la nivelulcomputerului unde sunt procesate itranspuse n imagini
18
Rezonana magnetic nuclear
Imaginea i rezoluia transmise de scannerulRMN sunt destul de detaliate nct s permitdepistarea celor mai mici schimbri dinstructura organismuluin anumite situaii se va folosi o substan decontrast, pentru o acuratee ct mai mare aimaginilor
19
Utilizarea RMN-ului
diagnosticarea traumatismelor cranio-cerebrale (transpuse in imagini sub formaunor hemoragii sau umflturi);anevrism cerebral, atac cerebral sau tumoriale creierului;tumori sau inflamaii ale coloanei vertebraleevaluarea integritii coloanei vertebrale nurma unor traume;
20
Utilizarea RMN-ului
diagnosticarea afeciunilor asociate coloaneivertebrale sau discurilor intervertebrale;evaluarea structurii inimii i a aortei, caz ncare se poate diagnostica anevrismul lanivelul inimii;evaluarea glandelor ai a organelor localizaten cutia toracic;evaluarea structurii articulaiilor, esuturilormoi i a sistemului osos
21
Rezonana magnetic nuclear
Riscuri obiectele metalice din interiorulcorpului
pot distorsiona imaginilese pot mica
articulaii artificiale, tije metalice pentrususinerea oaselor, proteze, valve artificiale,fragmente de glon, pompe interne pentruinsulina sau chimioterapie
22
Rezonana magnetic nuclear
23
Tomografia computerizat (CT)
Se realizeaz mbinndtehnicile digitaledispozitive de radiaii X
Se obin un numr de imagini ce reprezintseciuni ale diferitelor pri din corpul umanSe pot astfel analizaesuturi moioasevase de snge
24
Tomografia computerizat
Este ndeosebi folosit pentru semnalarealeziunilortumorilormetastazelor
Se evideniaz nu doar prezena lor ci idimensiunealocalizareaextinderea
25
Utilizarea CT
creierul, vasele de snge din creier, ochii,urechea intern, sinusurile;gtul, umerii, regiunea cervical a coloaneivertebrale, vasele de snge de la nivelulgtului;pieptul, inima, aorta, plmnii;regiunea toracic i lombar a coloaneivertebrale;
26
Utilizarea CT
partea superioar a abdomenului, ficatul,rinichii, splina, pancreasul;bazinul, oldurile, sistemul reproductormasculin i feminin, intestine;sistemul osos incluznd oase ale palmelor,labei piciorului, braelor, picioarelor,maxilarului, ncheieturilor.
27
Examenul CT al ficatului
Ficatul poate beneficia n mod determinant detomografiei computerizat datorit caracte-risticilor sale structurale:
caracterul dens omogen al parenchimului hepatic;prezena n parenchim a cilor sanguine i biliare,coninutul lichidian al acestora aprnd hipodensfa de parenchimul hepatic;nvecinarea organului cu medii avnd densitatediferit (grsime peritoneal, aer pulmonar,colecist).
28
Examenul CT al ficatului
29
REELELE NEURONALE ARTIFICIALE I
IMAGISTICA MEDICAL
30
RNA i imagistica medical
Imagistica este o zon important n care potfi aplicate tehnici de recunoatere a formelorpe baza reelelor neuronale artificialen medicin, recunoaterea formelor esteutilizat pentru
identificarea i extragere unor trsturi importantedin radiografii, tomografii etc.a oferi asisten semnificativ n diagnozamedical
31
RNA i imagistica medical
n domeniul imagisticii medicale e posibil sapar unele dificulti cauzate de faptul cdatele pot fi incomplete, incorecte sauinexacteReelele neuronale artificiale pot manipulatotui astfel de date i sunt utilizate cuprecdere pentru capacitile care leaseamn cu oamenii (generalizarea irobusteea) pentru a asista medicii n luareaunor decizii
32
PRELUCRAREA IMAGINILOR
33
Prelucrarea imaginilor
Sistemele de prelucrare automat a imaginilorau ptruns cu succes deosebit n domeniulmedicalTehnici avansate i performante i aducaportul n analiza i diagnosticul corect almultor afeciuniUtilizarea tehnicii de calcul n aceste domeniipermite evaluri calitative i cantitativecorecte ale unor procese fiziologice
34
Noiuni matematice de baz
Termenul imagine se refer la o funciebidimensional f(x,y)x i y sunt coordonatele n spaiul xOyf este o funcie ce definete pentru fiecare punct(x,y) nivelul de gri sau strlucirea acelui punct
Imaginea poate fi privit ca o matriceindicele rndurilor i al coloanelor identific unpunctelementul corespunztor al matricei reprezintnivelul de gri n acel punctElementele unei asemenea reele = pixeli
35
Prelucrarea imaginilor
Sistemele de prelucrare a imaginilorbiomedicale sunt folosite pentru a extrageinformaii specifice (recunoaterea, numrarea imsurarea formei, mrimii, poziiei, densitii sau aaltor proprieti similare ale unor obiecte dintr-oimagine) cu o mai mare acuratee dect o faceomulPentru a realiza acest lucru sunt folosite oserie de tehnici de mbuntire a imaginii
36
Prelucrarea imaginilor
Selectarea zonei de interesImaginea iniial conine milioane de pixeliSe dorete doar analiza unor pri din aceastimagine (de exemplu regiunea n care se afl otumoare)Selectarea din imaginea iniial a obiectelorsau caracteristicilor de interes se numetesegmentareInformaiile nesemnificative sunt ignorateSe reduce astfel substanial volumul de date
37
Segmentarea imaginilor
Segmentarea imaginilor medicale i gseteaplicabilitate n:
punerea unui diagnosticvizualizarea unor regiuni de interesrealizarea interveniilor chirurgicale ghidate prinimagini
La baza realizrii segmentrii se afl fieprincipiul discontinuitii, fie similaritatea
38
Segmentarea imaginilor
Regiunile obinute n urma segmentriitrebuie s satisfac urmtoarele condiii:
(se consider imaginea R alctuit din regiunile R1, R2, , Rn)
Fiecare pixel trebuie s aparin unei regiuni
Ri sunt regiuni adiacente, i = 1, 2, , nRi Rj = , i, j, cu i j. Regiunile trebuie sfie disjuncte.
Un
1ii RR
=
=
39
Segmentarea imaginilor
P(Ri)=TRUE, i = 1, 2, , n, unde P(Ri) este unpredicat logic definit pentru punctele dinmulimea R. Aceast condiie impune ca toipixelii dintr-o regiune s satisfac o anumitproprietateP(Ri Rj)= FALSE, i j. Regiunile trebuie sfie, dou cte dou, diferite n sensul dat depredicatul P.
40
Segmentarea imaginilor
Obinerea regiunilor se poate face pornind dela o mulime de puncte la care se adaugpixelii din jur care ndeplinesc anumitecondiii (referitoare la intensitate, culoare,textur, etc.)
41
Imaginea iniial
42
Imagini obinute pe parcursul segmentrii
43
Imaginea final
44
Descrierea obiectelor
O regiune poate fi descris de formaconturului su sau de caracteristicile internePrincipalele elemente care descriu o regiunesunt aria, perimetrul, texturaTextura este o caracteristic de tip structural,observabil pe suprafaa unor obiecte delemn, piatr, esturEa este specific i anumitor materiale canisipul, iarba, cerealele
45
Descrierea obiectelor
Una din cele mai utilizate metode deextragere a descriptorilor de textur este ceabazat pe matricele de co-ocurenAcestea mai sunt numite i matrice aledependenelor spaiale n niveluri de griSunt folosite pentru a determina ct de desapar ntr-o imagine (sau o regiune a uneiimagini) pixeli cu o anumit valoare n raportcu pixeli de o alt valoare
46
Matricele de co-ocuren
Aceste matrice se calculeaz raportat la unanumit unghi i o numit distan ntre pixeliCele mai uzuale unghiuri sunt de 0, 45, 90 i135 de grade
47
Matricele de co-ocuren
C0,d(i, j) = |{((k,l), (m,n)) I: k-m=0, |l-n|=d,I(k,l)=i, I(m,n)=j}|C45,d(i, j) = |{((k,l), (m,n)) I: (k-m=d, l-n=-d)SAU (k-m=-d, l-n=d), I(k,l)=i, I(m,n)=j}|C90,d(i, j) = |{((k,l), (m,n)) I: |k-m|=d, l-n=0, I(k,l)=i, I(m,n)=j}|C135,d(i, j) = |{((k,l), (m,n)) I: (k-m=d, l-n=d)SAU (k-m=-d, l-n=-d), I(k,l)=i, I(m,n)=j}|
48
Matricele de co-ocuren
Exprimnd n cuvinte aceste relaii, valoareaC0,d(i, j) va reprezenta numrul de perechipixeli din imaginea I care au valoarea irespectiv j i se afl la distan d unul decellalt pe orizontal. Matricea C90,d vanregistra pixelii din imaginea I cutai pevertical, matricea C45,d pe direcii paralele cudiagonala secundar, iar matricea C135,d pedirecii paralele cu diagonala principal.
49
Matricele de co-ocuren
Deoarece aceste matrice au dimensiuni foartemari (256x256) este dificil a fi utilizate naceast form.Se extrag din aceste matrice de co-ocurencaracteristici ale texturii
50
Caracteristicile de textur
Energia
Entropia
Elementul maxim
Contrastul , uzual k=2 i =1
Momentul
j,i
2d, )j,i(C
j,i
d,d, ))j,i(Clog()j,i(C
),(max jiC
j,i
d,
k )j,i(C)ji(
+j,i
d,)ji(1)j,i(C
51
Caracteristicile de textur
Corelaiaunde: yx
yxj,i
d,
)j,i(C)j*i(
=i j
d,x )j,i(Ci
=j i
d,y )j,i(Cj
=i j
d,xx )j,i(C)i(
=j i
d,yy )j,i(C)j(
52
Sistemul de diagnoz
Caracteristicile de textur reprezint intrrileunei reele neuronale creat i antrenatpentru a oferi predicii n ceea ce priveteafeciunile hepaticeAu fost create 500 de reele neuronale i a fostreinut cea cu acurateea cea mai bun
53
Sistemul de diagnoz
Reele sunt de tip feedforward24 de intrri,un nivel ascuns care conine 10 neuroniun nivel de ieire care sugereaz (prinintermediul unui cod) diagnosticul
Pentru antrenare s-a folosit algoritmulbackpropagation
54
Sistemul de diagnoz
Pacienii ale cror tomografii au fost analizatei folosite pentru antrenarea reelelorneuronale pot fi mprii n patru categorii nfuncie de diagnosticul pus de radiolog:
ficat normal (cod 0)formaiuni chistice hepatice (cod 1)hepatomegalie (cod 2)steatoz hepatic (cod 3)
Reeaua neuronal va sugera n care dinaceste situaii se afl pacientul investigat
55
Problem
Realizai un sistem informatic care sanalizeze imagini medicale
56
Bibliografie
1. Adriana ALBU: Stabilirea de baze de datepentru diagnosticarea hepatitelor virale prinanaliza imaginilor ficatului obinute printomografiere Tez de doctorat, EdituraPolitehnica, 2006
57
V mulumesc pentru atenie
FUNDAMENTE DE SISTEME BIOLOGICE I INFORMATIC MEDICALConinutSlide Number 3Imagini medicaleImagini medicaleUltrasonografiaUltrasonografiaUltrasonografiaUltrasonografiaUltrasonografiaUtilizarea ultrasonografieiUtilizarea ultrasonografieiLaparoscopiaLaparoscopiaRezonana magnetic nuclear (RMN)Rezonana magnetic nuclearRezonana magnetic nuclearRezonana magnetic nuclearUtilizarea RMN-uluiUtilizarea RMN-uluiRezonana magnetic nuclearRezonana magnetic nuclearTomografia computerizat (CT)Tomografia computerizatUtilizarea CTUtilizarea CTExamenul CT al ficatuluiExamenul CT al ficatuluiSlide Number 29RNA i imagistica medicalRNA i imagistica medicalSlide Number 32Prelucrarea imaginilorNoiuni matematice de bazPrelucrarea imaginilorPrelucrarea imaginilorSegmentarea imaginilorSegmentarea imaginilorSegmentarea imaginilorSegmentarea imaginilorImaginea iniialImagini obinute pe parcursul segmentriiImaginea finalDescrierea obiectelorDescrierea obiectelorMatricele de co-ocurenMatricele de co-ocurenMatricele de co-ocurenMatricele de co-ocurenCaracteristicile de texturCaracteristicile de texturSistemul de diagnozSistemul de diagnozSistemul de diagnozProblemBibliografieV mulumesc pentru atenie