Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D Aplicação em ...tavares/downloads/publications/comunicacoes/SPMN... · M e t a b ó l i c a Reconstrução de imagem o Métodos

HPP - MEDICINA MOLECULAR, SA

Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D – Aplicação em Imagem

Funcional e Metabólica

Diogo Faria, João Tavares, Durval C. Costa

XIII Congresso Nacional de Medicina Nuclear Cascais

25 Novembro de 2011


S e g m e n t a ç ã o , R e c o n s t r u ç ã o e Q u a n t i f i c a ç ã o – A p l i c a ç ã o e m I m a g e m F u n c i o n a l e M e t a b ó l i c a

Apresentação

Processamento e análise de imagem

o Reconstrução

o Segmentação

o Quantificação

Trabalho em curso

Trabalhos e Colaborações

Conclusões

Sumário



Licenciado em Medicina Nuclear pela Escola Superior de Tecnologia de Saúde do Porto

Funções como Técnico Coordenador - Coordenação, Gestão Operacional e de Recursos Técnicos

Todas as valências em Medicina Nuclear – Diagnóstico (SPECT, PET e convencional) e Terapêutica (Ambulatório e Internamento)

Apresentação

Certificação ISO 9001:2008

European Accreditation of the Nuclear Medicine Centre

European Accreditation of the Nuclear Medicine Training Department

Ciclotrão

2005



Aluno de Mestrado em Engenharia Biomédica na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D de Estruturas em Imagens Médicas – Aplicação em Imagem Funcional e Metabólica

Sob a orientação de:

Prof. Doutor João Manuel R. S. Tavares Prof. Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto [email protected] www.fe.up.pt/~tavares

Prof. Doutor Durval C. Costa Coordenador Clínico e Científico HPP-Medicina Molecular, SA.

Diretor de Medicina Nuclear

Fundação D. Anna Sommer Champalimaud e Dr. Carlos Montez Champalimaud – Centro Clínico Champalimaud

Apresentação

http://www.fe.up.pt/~tavares

http://www.fe.up.pt/~tavares




Visão – capacidade sensorial de extrema importância

o Permite adquirir informação sobre o meio circundante, como informação 3D

o Bem como sobre objetos, como forma, movimento, deformação

A área do Processamento e Análise de Imagem tenta desenvolver algoritmos computacionais para a realização automática ou semi-automática de operações complexas usualmente realizadas pelo nosso sistema de visão

Utilizados em Biologia, Medicina, Engenharia, Indústria, Desporto,...



João Manuel R. S. Tavares

6

Melhoramento de imagem

Segmentação de imagem / extração de características

seguimento

emparelhamento

simulação

Imagem / imagens

Análise de movimento

alinhamento

Processamento de Imagem

Análise de Imagem / Visão Computacional

Visão 3D

Visão por Computador


Slide credit: João Manuel R. S. Tavares



Reconstrução de imagem

o Métodos analíticos

o Métodos Iterativos


g(s, θ) – número de cintilações detectadas na posição s ao longo do detector, com angulação θ

f(x,y) – número de fotões emitidos a partir de qualquer ponto (x,y) do plano transverso no campo de visão

CYRI C Tohoku Univ.CYRI C Tohoku Univ.

Projection Data & Image

projection

sinogram

PET detector ring

LORs

reconstructed image

data correction & reconstruction

A detecção em coincidência de pares de fotões de 511 KeV formam Linhas de Resposta – “Line of Response, LoR Cada par de detectores define um possivel trajecto de emissão




Métodos analíticos – Retroprojeção Filtrada

Johann Radon, um matemático austríaco (1917), que demonstrou que um objeto poderia ser reconstruído a partir de múltiplas projeções obtidas segundo ângulos diferentes

Retroprojeção – tornar o valor de um elemento adquirido em Φ e colocar este valor em todos os elementos ao longo de uma linha no ângulo Φ da matriz da imagem

Obtenção da Transf. Fourier 1D para cada projeção, filtragem da transformação resultante (Ramp ou Hanning , entre outros...), cálculo Transf. Inversa da projeção filtrada e retroprojectar os dados para cada posição angular


Retroprojeção - colocação de um valor de p(xr,

Φ) numa matriz de imagem ao longo de uma LOR, para um valor fixo de Φ.

Reconstrução Tomográfica em TC e MN3 Métodos de retroprojeção filtrada

24

Projeções Retroprojeção Resultado final

Projeções

filtradas

Retroprojeção

filtradaProjeções




Métodos Iterativos

Baseados em métodos estatísticos, procura uma solução através de sucessivas estimativas

Tendo em conta as projeções obtidas, estima a distribuição de actividade que melhor se adequa;

Vantagens

Menor ruído (incorporação de modelos probabilísticos), modelação de efeitos físicos e redução de artefactos.




Reconstrução de imagem em PET 3D

Aumento de sensibilidade LORs obliquas


Métodos Analíticos

• Variância espacial dificulta a sua implementação – extensão axial finita dos tomógrafos e LORs obliquas truncadas

• A distribuição de actividade reconstruida a partir das LORs directas pode ser reprojectada para obtenção das LORs obliquas completas 3DRP

• Conversão dos dados de planos oblíquos num conjunto de cortes paralelos a duas dimensões, permitindo assim uma posterior reconstrução de cada corte separadamente com um algoritmo 2D, para recuperação da imagem 3D SSRB, MSRB e FORE

Métodos Iterativos

• Aumento das exigências computacionais – aumento da informação a processar

• Incorporaçao da variância espacial da informação recolhida



Segmentação

Papel da imagiologia médica não está limitado à inspeção e identificação de estruturas anatómicas planeamento cirúrgico avançado, quantificação, simulação e planeamento para radioterapia

Pretende-se identificar de forma automática, ou semi-automática, os objetos (2D/3D) presentes em imagens estáticas ou em sequências de imagem

Problemas envolvidos ruido, resolução espacial, formas não conhecidas, múltiplas estruturas presentes, movimento do doente, scatter, PVE e atenuação fotónica




Segmentação – Aplicações

Avaliação de volumes de orgãos ou tumores - resposta à terapêutica

Definição de áreas a tratar em RT – MIGRT (Molecular Imaging-Guided Radiation Therapy)

Extração de parâmetros de relevância clínica – FEVE em Cardiologia Nuclear, delineação automática de estruturas de interesse


.



Segmentação

Tresholding o Baseado em histograma, definido um valor de limiar (treshold), T - imagem é dividida

em grupos de pixéis com valores dentro ou fora de determinada gama o Características espaciais ignoradas, sensível ao PVE, artefactos de movimento e

heterogeneidade

Crescimento de regiões o Procedimento inicia com um conjunto de pixéis “semente” crescimento de regiões

uniformes o Assumpção que os valores de intensidade são constantes em regiões o Sensível ao ruido e PVE

Classificadores o Técnica que faz a associação de classes a tipos de tecido. o Necessidade de treino prévio o Pode ser feito através de um operador ou usuário




Segmentação Clustering

o Aplicação em imagens multi-banda o Número de clusters deve ser definido a priori o Separação da imagem em k regiões sendo o critério utilizado a cor e a distância

euclidiana

Detecção de orlas e contornos o Contornos – interseção de 2 regiões onde existem variações bruscas no valor de

intensidade dos pixéis

o Operadores de derivada de primeira ordem mostram um extremo no contorno, enquanto operadores de derivada de segunda ordem passam por zero onde o contorno tem os seus altos e baixos mais íngremes

o Bons resultados em imagens com bom contraste

o Requer uma operação de filtragem que dê realce a mudanças nos valores de cada pixel e que anulem áreas com valores constantes




Segmentação Modelos deformáveis - “Snakes”

o curvas, superfícies ou sólidos definidos numa imagem ou volume

o um processo de alto nível ou o próprio operador inicializa a curva próxima ao contorno que se quer identificar

o a Snake desenvolve, então, um processo de deformação no sentido do contorno até que se identifica com ele (ao nível da precisão do pixel).




Segmentação - PET


Categoria Caracteristicas Limitações

Manual Inspeção Visual e Delineação

manual Variabilidade inter-observador, demorado

Thresholding Eficiente e de implementação

simples

Sensível ao PVE, heterogeneidade e artefactos de movimento, decisão prévia a qual o T a

utilizar

Sobel, Modelos Deformáveis

Permite a incorporação de informação prévia, tais como a

forma Sensível ao ruído da imagem

Clustering, Redes Neurais Artificiais

Reconhecimento de padrões – Supervisionados e não

supervisionados

Necessidade de treino e computacionalmente exigentes

Habib Zaidi, Issam El Naqa:PET-guided delineation of radiation therapy treatment volumes: a survey of image segmentation techniques.Eur J Nucl Med Mol Imaging (2010) 37:2165–2187



Quantificação – Exemplos

Funcional

Captação Tiroideia Função Renal FEVE

Paramétrica

Perfusão cardiaca Metabolismo Cerebral

Quantificação Absoluta ou Relativa

SUVs




Quantificação – SPECT


Ritt P, Vija H, Hornegger J, Kuwert T: Absolute quantification in SPECT. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging 2011, 38(0):69-77.

Eficiência de Detecção

Colimador

Cristal

Resolução espacial e penetração septal

Perda de contagens

Atenuação fotónica

Radiação dispersa

Radiofármacos

Movimentos do doente

Algoritmos de reconstrução

PVE



Quantificação – PET

Análise de estudos metabólicos com FDG e PET

Qualitativa – “sinal aumentado (focal) indica

avidez para o radiofármaco específico”

Semiquantitativa – SUV’s (standardized uptake

value), Razão Lesão/Fundo

Absoluta

Análise Gráfica Patlak-Gjedde e de Sokoloff-Phelps

Métodos simplificados


Concentração FDG livre

Pool extravascular

FDG fosforilado



Quantificação – PET


Causas de erro PVE Doente Tempo de aquisição de imagem pós injeção Movimento do doente PET-CT vs PET Calibraçã0 QA Características do tomógrafo Algoritmos de reconstrução de imagem



Trabalho em curso DaTSCAN Nome comercial do radiofármaco 123I-IOFLUPANO (123I-fluoropropyl-

2β-carbometoxy-3β-{4-iodophenyl}tropane), análogo da cocaína, usado

para estudar os transportadores pré-sinápticos da dopamina (DaT) no

SNC com SPECT

Análise visual por observadores experientes

Quantificação absoluta

invasivo

modelação cinética de radiofármacos

amostragem de sangue arterial

aquisições SPECT dinâmicas

Métodos Semi-quantitativos

utilizam computadores e softwares dedicados para extrair informação das imagens obtidas com estes radiofármacos

catalogação de pacientes - diferentes padrões de captação

relações entre áreas de captação específica em regiões de interesse e áreas de captação não específica



Trabalho em curso Especificação de Metodologia menor variabilidade entre estudos, e sistemas;

Base de dados de normais e valores de referência;

Automatização da metodologia de quantificação para redução da variabilidade inter-operador

Binding Potencials, Volumes and Pixel by Pixel Z-Scores Test vs Normal Datscan Database

Francisco Oliveira, PhD - FEUP Segmentação automática das estruturas de interesse



F J Caramelo, D Faria, N C Ferreira, J J P Lima. “Registration of planar scintigraphy data onto video images obtained at different perspectives”, 11th International Congress of the IUPESM, 2009. Munich, Germany. F J Caramelo, D Faria, N C Ferreira, J J P Lima .“A method for 3D motion correction of nuclear medicine planar imaging data”, 11th International Congress of the IUPESM, 2009. Munich, Germany. Patrina, D. Faria, J. Vale, L. Ribeiro, D. Sousa, C. Nunes, J. Oliveira, A. Sevilla, D. C. Costa. Investigation of Central Sleep Apnea with Brain FDG-PET - technical aspects for setting-up a service. 22º Annual EANM Congress, 2009. EANM'09 Barcelona, Spain.

D. Faria, J. Patrina, J. Tavares, L. Ribeiro, D. Sousa, J. Oliveira, J. Vale, D.C. Costa.Respiratory movements cause significant misregistration and altered SUVs in thoracic PET-CT studies with 18F-DG. 21º Annual EANM Congress, 2008. EANM'08 Munich, Germany.

JIS Patrina, DAB Faria, A Sevilla, LC Ribeiro, DM Sousa, CA Nunes, PMRR Genésio, JVF Silva, JMP Oliveira, DC Costa. Radiotherapy planning with [18F] - DG PET-CT: technical aspects and preliminary results. 18o Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine - EANM’06, Athens, Greece. (Nomeado para melhor apresentação oral)

…

Trabalhos



Universidade Católica, Porto

“Estudo comparativo da imagem tiroideia com dois tipos de colimadores – “buracos paralelos” Vs “pinhole”. Caracterização da distância focal da colimação “pinhole”. Ana Dionísio, Escola Superior de Biotecnologia – U. Católica. Tese de Mestrado

“Estudo da velocidade de exposição radioactiva de doentes submetidos a cintigrafia de perfusão do miocárdio após a primeira e segunda injecção do radiofármaco no mesmo dia”. Diana Faria, Escola Superior de Biotecnologia – U. Católica. Tese de Mestrado

“Estudo qualitativo e quantitativo de cintigrafias dinâmicas vs estáticas com DMSA”. Ana Sousa, Escola Superior de Biotecnologia – U. Católica. Tese de Mestrado

Faculdade de Ciências e Tecnologia – Universidade de Coimbra Definition, elaboration and validation of tests in radioactivity measuring devices (Radionuclide “Dose”

Calibrators). André Santos e Rui Martins – Estágios de Verão Definition and implementation of processes for evaluation of the spacial resolution in different points of

images in a gamma camera. André Santos e Rui Martins – Estágios de Verão CÂMARA GAMA: RESOLUÇÃO ESPACIAL, UNIFORMIDADE E CONTRASTE. Carolina Francisco e Mariana -

Estágios de Verão

Colaborações



Faculdade de Farmácia, Universidade do Porto “ESTUDO DAS VARIÁVEIS QUE INFLUENCIAM A FORMAÇÃO DO COMPLEXO 99Tcm-TETRAFOSMINA E OPTIMIZAÇÃO

DO PROTOCOLO DE PREPARAÇÃO DO RADIOFÁRMACO”, Liliana Martins, Tese de Mestrado

Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto ““Emparelhamento e Alinhamento de Estruturas em Visão Computacional: Aplicações em Imagens

Médicas”., Francisco Oliveira, Tese de Doutoramento.

Faculdade de Medicina, Universidade de Coimbra “INTEGRAÇÃO DA IMAGEM VÍDEO DO PACIENTE NAS IMAGENS DE MEDICINA NUCLEAR”. Francico Caramelo, Tese

de Doutoramento.

Faculdade de Ciências, Unversidade do Porto • "Analise quantitativa de co-registo de PET/RM cerebrais”. Joana Vale, Tese de Mestrado em

Fisica Médica

• IST - Instituto Superior Técnico “Alzheimer's Disease Diagnosis using 3D Brain Images - Exploring new grounds on features extraction and selection” , Eduardo Bicraco, Tese de Mestrado

• Faculdade de Ciências – Universidade de Lisboa “CONTRIBUTO PARA A OPTIMIZAÇÃO DOS ESTUDOS DE PERFUSÃO MIOCARDICA UTILIZANDO IMAGENS DE MEDICINA NUCLEAR SINCRONIZADAS COM O ELECTROCARDIOGRAMA”. Lina Vieira – Tese de Doutoramento

Colaborações



A área da Análise de Imagem é complexa e exigente mas de elevado interesse em muitos domínios

O processamento e análise de imagem digital constitui um importante desenvolvimento na área da visualização de imagens permitindo melhorar a sua interpretação e realçar aspectos distintos

Programas de processamento e análise de imagem são cada vez mais importantes como ajuda à decisão clínica

Uma boa ferramenta de processamento e análise de imagem leva a resultados mais fiáveis e com menos erros associados ao operador

Práticas de investigação e desenvolvimento podem ser implementadas e desenvolvidas sem comprometer normal funcionamento de um Departamento “movimentado”

A investigação ligada à área das Tecnologias de Medicina Nuclear é uma realidade que contribui para a melhoria dos processos e práticas do serviço a que está associada devendo ser implementada e incentivada.

Conclusões



Obrigado!


Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D – Aplicação em Imagem

Funcional e Metabólica

Diogo Faria, João Tavares, Durval C. Costa

XIII Congresso Nacional de Medicina Nuclear Cascais

25 Novembro de 2011

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