obrysowywanie prezentowanych struktur

AUS
Wspó³czesne systemy obrazowania USG
1. Wprowadzenie
- obrysowywanie prezentowanych struktur
- ocena kurczliwoœci serca na podstawie badañ
echokardiografii
- narzêdzie funkcji sklejanych
- zasadnicze problemy zwi¹zane z jakoœci¹ obrazowania
USG
2. Filtracja obrazów USG (modu B)
- przegl¹d ró¿nych filtrów
- porównanie ich efektywnoœci
3. Analiza dooplerowska
- zastosowanie transformat czasowo-czêstotliwoœciowych
4. Potrzeba 3D ultrasonografii
- rzeczywiœcie 'nowa jakoœæ'?
- obszar zastosowañ (obrazowanie serca, naczyñ, struktur
anatomicznych)
- UCT (ultrasound computed tomography)
5. Systemy akwizycji danych 3D
- g³owice 2D (mechaniczne prowadnice, system ‘free-hand’
mechaniczne uk³ady rotacyjne, drgaj¹ce)
- g³owice 3D (z 2D matryc¹, np. 32 × 32 piezoelektrycznych
elementów z fazowych odchylaniem)
6. Przegl¹d rzeczywistych systemów badañ 3D USG
- Voluson (Kretz)
- GE, ATL itd.
7. Metody wizualizacji wolumetrycznych danych USG
- odtwarzanie powierzchni
- rekonstrukcja wieloplanowa
- prezentacji pó³przezroczysta
- mod X-ray
- wizualizacja naczyñ
8. Praktyczny system 3D rekonstrukcji danych USG
- reformatowanie danych z nierównoleg³ych warstw
- rekonstrukcja objêtoœciowa
9. Przyk³ady badañ nad lepszym wykorzystaniem systemów
USG do celów diagnozy
- detekcja i wizualizacja raka prostaty
Filtracja obrazów USG
1. Filtry Gaussowskie i LoG (laplasjanowy
(laplasjanowy filtr Gaussa)
wada: zacieranie krawêdzi, nie najlepsze do wykrywania
krawêdzi zaszumionych obrazów (zachowuj¹ jedynie
ogólny kszta³t silnych krawêdzi)
2. Filtry Medianowe
lepiej zachowuj¹ krawêdzie (tak¿e ich pozycjê), dobrze
eliminuj¹ szum impulsowy
wada: jeœli szum jest niesymetryczny zmieniaj¹ œredni¹
intensywnoϾ obrazu
3. Filtry Modalne
np. 9x9, dobrze redukuj¹ niewielki szum w pobli¿u
krawêdzi i wzmacniaj¹ krawêdzie w silnie zaszumionym
obszarze
wady: mog¹ jednak zniekszta³caæ krawêdzie (przesuwaæ)
4. Filtry adaptacyjne
zale¿ne od lokalnej mediany, œredniej lub wariancji,
czêsto wymagaj¹ interakcji, ale s¹ skuteczniejsze
5. Filtry morfologiczne (otwieraj¹ce+ zamykaj¹ce)
usuwaj¹ skutecznie cêtki z obrazu, tak¿e drobne
strukturki, uzupe³niaj¹ kszta³ty niepe³nych struktur
(pomagaj¹ wyznaczyæ zamkniête struktury)
wady: tak¿e nie zachowuj¹ œredniej intensywnoœci obrazu
6. Porównanie efektywnoœci filtrów
miara jakoœci: Contrast to Speckle Ratio CSR
x0 − x1
CSR = 2
(σ 0 − σ 12 ) 2
- adaptacyjne filtry medianowe daj¹ najlepsz¹ skutecznoœæ
filtracji
7. Przyczyna filtracji 2D obrazów warstwowych do
rekonstru-kcji 3D
- rozdzielczoϾ rekonstrukcji 3D jest mniejsza
- interpolacja warstw czêsto zwiêksza efekt cêtkowanych
szumów
-
prostsza implementacja od filtrów 3D
Analiza dooplerowska
zastosowanie transformat czasowo-czêstotliwoœciowych
1. Problem filtracji sygna³ów dooplerowskich
Rzeczywisty sygna³ dooplerowski mo¿e byæ w przybli¿eniu
opisany nastêpuj¹cym równaniem:
d (t ) = s (t ) ⋅ n(t ) = A cos(ω ± ∆ω œr (t , d ))t ⋅ n(t )
d - d³ugoœæ badana (okreœlona przez bramkê czasow¹)
Stosowane dot¹d metody:
- okienkowa FFT (short-time FFT)
- estymacja widma metod¹ autoregresji
y n = a1 y n −1 + a 2 y n− 2 + ....... + a k y n − k + en
W( f ) =
σ e2T
k
| 1 + ∑ ai exp(− j 2ΠfiT | 2
i =1
2. Narzêdzie waveletowe
3. Waveletowe odszumianie sygna³u dooplerowskiego
Wielorozdzielcza dekompozycja sygna³y
φ (t ) =
∞
∑c
n = −∞
n
2φ (2t − n)
∞
c n = ∫ φ (t ) 2φ ( 2t − n) dt
−∞
ψ (t ) =
∞
∑d
n = −∞
n
2φ ( 2t − n ) =
∞
∑ (−1)
n = −∞
n
c1− n 2φ ( 2t − n )
Miêkie i twarde progowanie
Przyjmujemy: λ > 0
Hard thresholding:
Soft thresholding:
t _ prog
ij
w
m _ prog
ij
w
0, | wij |< λ
=
wij , | wij |≥ λ
| wij |< λ
 0,
=
znak( wij )(| wij | −λ ), | wij |≥ λ
Potrzeba 3D ultrasonografii
A. rzeczywiœcie 'nowa jakoœæ'?
B. obszar zastosowañ
C. UCT (ultrasound computed tomography)
Dlaczego jest potrzebna 3D ultrasonografia?
• poprawa jakoœci metod wizualizacji danych prezentacja tej samej informacji w formacie zgodnym z
rzeczywist¹ 3D natur¹ badanych obiektów
• pomiary objêtoœciowe - s¹ dokonywane na podstawie
rzeczywistych danych pomiarowych, a nie ekstrapolacji
kszta³tów obiektów przestrzennych na podstawie ciêæ
2D
• redukcja czasu badañ
• dodatkowe
mo¿liwoœci
analizy
obiektów
przestrzennych - dowolne ciêcia obiektu, rendering
(odtwarzanie) powierzchni i objêtoœci obiektu w ró¿nych
zakresach danych pomiarowych i ró¿nych modach
prezentacji (semi-transparent, stereo, x-ray technique
itp.), mo¿liwoœæ analizy obrazowanych obiektów
zarówno w czasie skanowania jak i póŸniej
Obszar zastosowañ badañ 3D:
• badania p³odu i ginekologiczne
bardziej
wyraŸny
obraz
w
badaniach
p³odu,
precyzyjniejsze rozró¿nienie i identyfikacja z³o¿onych
struktur, ³atwiejsze i szybsze badanie,
co daje wczeœniejsz¹ detekcjê ró¿nych 'defektów', lepsza
lokalizacja i 'parametry objêtoœciowe' wybranych cech
obrazowanych struktur
• ogólna radiologia
wizualizacja perfuzji organów, lepsze planowanie terapii,
lepsza i powtarzalna kontrola terapii,
co daje lepsze studium kszta³tu i rozwoju raka (w¹troby,
piersi, nerki, narz¹dów rodnych, prostaty), poprawê
warunków obserwacji wp³ywu podanych farmaceutyków
na organizm pacjenta (zmiany objêtoœciowe), ocena
anatomicznych zale¿noœci struktur w polu operowanym
(obrazy przed, po, w trakcie operacji)
• urologia
rzeczywiste kalkulacje objêtoœciowe (nerki, prostata),
precyzyjna lokalizacja kamieni, dodatkowa informacja do
analizy fragmentów kamieni po rozbiciu
• angiografia
lepsze mo¿liwoœci wizualizacji struktury naczyñ w
badanej objêtoœci, ³atwiejsza detekcja rakowych zmian w
liniowoœci naczyñ, lepsza ocena iloœciowa struktur
naczyniowych (objêtoœci itp.), okreœlenie zale¿noœci
objêtoœciowych w czasie,
co daje mo¿liwoœæ wczeœniejszej detekcji oraz lepszej
charakterystyki badanych struktur na podstawie 'mapy
naczyniowej'
UCT - ultrasound computed tomography
A. Mod odbiciowy
Impulsowa generacja nieogniskowanej wi¹zki ultradŸwiêków i
odbiór ech odbitych i rozproszonych, przy za³o¿eniu sta³ej
prêdkoœci rozchodzenia siê ultradŸwiêków, w tym samym czasie
(bramka czasowa) przychodz¹ echa (w danym zakresie) do
odbiornika, a suma tych ech (ca³ka) charakteryzuje w³asnoœci
odbiciowe obiektu. Sygna³ wyjœciowy z odbiornika w czasie jest
traktowany jako 1D projekcja w funkcji zakresu. Dalej jest
tradycyjny obrót g³owicy wokó³ obiektu i rejestracja
poszczególnych projekcji, a do rekonstrukcji obiektu
wykorzystuje siê algorytmy z CT.
Ten mod rejestracji mo¿e potencjalnie poprawiæ rozdzielczoœæ
boczn¹ oraz zmniejszyæ cêtkowe szumy w obrazie w stosunku do
skanów modu B.
B. Mod transmisyjny
W tym przypadku nie s¹ obowi¹zuj¹cymi za³o¿enia o sta³ej
prêdkoœci dŸwiêku oraz o jego rozchodzeniu po liniach prostych.
Mo¿na wiêc potencjalnie przezwyciê¿yæ geometryczne
zniekszta³cenia wystêpuj¹ce w tradycyjnym USG odbiciowym.
Potrzeba dwóch g³owic: nadawczej i odbiorczej umieszczonych
po obu stronach obrazowanego obiektu. Amplituda i czas
rozchodzenia s¹ rejestrowane w odbiorniku, przy czym
amplituda mo¿e byæ wykorzystana do rekonstrukcji obrazów
os³abiania wi¹zki ultradŸwiêków za pomoc¹ metod z CT. Z kolei
czas jest u¿yty do rekonstrukcji obrazów wspó³czynnika
za³amania czy te¿ rozk³adu prêdkoœci dŸwiêku.
Bent-ray UCT - œledzenie krzywych, po których rozchodz¹ siê
ultradŸwiêki metod¹ œledzenia promieni (ray tracing)
Wielkie trudnoœci realizacyjne tych metod (potrzeba zanurzania
cia³a w wodzie w metodach transmisyjnych, d³ugi czas akwizycji,
drogie, du¿e urz¹dzenia, utrata szeregu zalet tradycyjnych metod
USG)