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Generación y análisis de imágenes biomédicas
Roberto A. Isoardi
Escuela de Medicina Nuclear CNEA / FUESMEN Mendoza, Argentina
Introducción
• Las imágenes tienen importancia central en el diagnóstico
• Desarrollo importante en las últimas décadas
• Diferentes formas de generar e interpretar imágenes médicas
Imágenes médicas
• Usa distintas porciones del espectro – PET – rayos gamma,
511keV
– Rayos-X, CT
– Luz visible
– Termografías
– Ondas de radio de spines nucleares, RMN
– Actividad eléctrica del cuerpo, EEG
• Ondas sonoras, ultrasonido
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Modalidades
Proyección clásica 2D de radiografía
Rayos-X: Röntgen – el inventor
Tendencias: Rayos-X
• Más de 100 años de desarrollo analógico
• Desde hace unos 20
años comenzaron
equipos digitales
• Tecnología digital en
reemplazo de la
analógica
Radiografía
• La exposición directa no se usa salvo casos especiales (p.ej. Radiografía dental)
• Las pantallas intensificadoras convierten Rayos
X en luz visible, ganancia 100-10 000 x
• Usa una rejilla de enfoque para minimizar la
radiación dispersa y mejorar el contraste
• Film va siendo reemplazado por panel digital.
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Músculos y huesos
Convencional vs. digital
Radiografía digital: ventajas
• Mayor contraste.
• Evita repetir tomas por errores
• Menor exposición
• Almacenamiento simplificado
• Evita uso de placas, químicos, etc.
• Fácil disposición y manejo en red.
Fluoroscopía
• Toma imágenes en tiempo real
• Modos continuos o pulsados
• Intensificador de imágenes (tubo o CCD)
• Registra la imagen digitalmente desde la
cámara de TV
– Fluoroscopía digital
– Angiografía de sustracción digital
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Vasos sanguíneos - Angiografía
Fluoroscopía digital
Fluroscopía vs. Radiografía
• Fluoroscopía –transluminancia, – Crea una imagen “en vivo”
del paciente
– Puede hacerse diagnóstico
en “tiempo real”
– Muestra dinámica
– Puede controlar algunos
procedimientos invasivos
– Dosis relativamente alta
para paciente y personal
• Radiografía – Fotografía de Rayos X • Crea una imagen “congelada”
• Puede interpretarse sin apuro
• Ofrece documentación médica y legal
Tomografía Computada (CT)
Genera imágenes de cortes a través del cuerpo
CT: cómo funciona
CT: cómo funciona
TC-Principios funcionales
• Se mide la absorción de Rayos X a través de un gran número de ángulos, creando “perfiles” o “proyecciones”
• Estas proyecciones se filtran y
“retroproyectan” para formar cada corte.
• TC ofrece una gran resolución de
contraste y una gran exactitud geométrica
TC: propiedades de imagen
• La TC mide coeficientes de atenuación relativos al agua (Unidades de Hounsfield)
– -1000 aire
– 0 agua
– +1000 hueso
• Visualización a través de distintas
ventanas de contraste
TC multicorte
– 64 canales
• Especificaciones típicas;
• Adquisición 64 x 0.625 mm
• 0.34mm x 0.34mm x 0.34mm isotropic resolution
• Rotación 0.4 seg.
• Más de 24 pl/cm (alta resolución espacial)
• Matrices de reconstrucción 768 x 1024
• Reconstrucción ~ 40 imágenes por segundo.
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Tomografía Computada
CT provee información anatómica
Ejemplos CT
Resonancia Magnética Nuclear (RMN)
Basada en secuencias de pulsos en un campo magnético principal
Diferentes contrastes con diferentes secuencias de pulsos
La orientación de los cortes puede darse libremente
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Imágenes por RM
La RM da información anatómica
Cómo funciona la RM
• Los núcleos con número impar de protones/neutrones tienen espín no nulo.
• Tienden a alinearse con un gran campo externo
• Se lo perturba con la frecuencia de resonancia
(frecuencia de Larmor)
• Cuando los átomos vuelven a la posición de
equilibrio con el campo emiten RF que se detecta
con bobinas receptoras
• Controlando gradientes de campo y secuencias de
pulsos de RF se pueden seleccionar planos de
excitación y pueden crearse imágenes en 2D o 3D
RM: conceptos fundamentales
• Las imágenes de RM pueden ser ponderadas en dos contrastes principales:
• T1 es el tiempo de relajación espín-red de
recuperación de la magnetización longitudinal
en equilibrio con el campo principal
Mz = Mo ( 1 - e-t/T1 )
• T2 es el tiempo de relajación de decaimiento de
la magnetización transversal: MXY =MXYo( e-t/T2)
RM: propiedades de imagen
• Buena resolución de contraste para tejido blando
• Versátil: distintos contrastes y cortes.
• No es posible medir los niveles de intensidad en
términos absolutos
• Precisión geométrica no es buena.
• No se conocen efectos nocivos
• Precaución con objetos que pueden afectarse en
presencia del fuerte campo magnético
• En constante evolución
RM Neuro
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Músculos y huesos (articulaciones)
Detalles esqueléticos
Ortopedia con RM
• 0.078 mm resolución muñeca
• Delineación clara de las paredes venosas
• Detalles técnicos: – T1 FLASH
– TR 591 ms,
– TE 7.5 ms,
– TA 6:09 min,
– SL 3 mm,
– slices 19,
– matrix 1024,
– FoV 80 mm.
RM de
cuerpo
entero
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Neuro
Multiple esclerosis
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Angiografía
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Cardio
Nuevos diseños abiertos
Tecnologías de RM
• Las imágenes de RM están influenciadas por varios factores:
• Las bobinas receptoras de RF se adaptan a la anatomía y patología. – Una bobina más ajustada al cuerpo provee mejor imagen
• Distintas secuencias de pulsos de RF proveen distinto contraste, resolución, ruido, etc.
• Se pueden en principio hacer estudios “gatillados” en sincronismo con el movimiento cardíaco, respiración, flujo sanguíneo.
• Los medios de contraste pueden ayudar a visualizar mejor ciertas estructuras.
• Se puede registrar la actividad neuronal con fMRI
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Imágenes funcionales
Imágenes tensor de difusión
• Mostrando la
conexión de
fibras cerebrales
Tomografía por emisión de positrones (PET)
Imágenes funcionales, distribución de radio-trazadores
PET - Principios
• Un compuesto emisor de positrones se introduce en el paciente (ej. vía endovenosa)
• El positrón recorre el tejido en un rango de mm, y se aniquila con un electrón formando dos rayos Gamma de 511 keV en direcciones opuestas.
• Éstos son detectados con cristales opuestos ubicados en anillos alrededor del paciente y se determina la línea o la región aproximada donde tuvo lugar el evento de aniquilación.
• La reconstrucción de imágenes tomográficas se realiza en forma similar a CT.
PET: Propiedades de imagen
• Proporciona imágenes funcionales con una resolución especial de ~5 mm
• La glucosa puede ser marcada con F-18 y esto permite ver dónde en el cerebro se consume normal o patológicamente
• Varias sustancias pueden ser marcadas por lo que PET tiene muchas aplicaciones en investigación farmacéutica (C-11, O-15, F-18, N-13, Ga-68)
• Son producidas mediante un ciclotrón y un módulos de síntesis radiofarmacéutica. Tecnología muy costosa.
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PET – principios
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PET
PET da información funcional
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Ciclotrón
Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT)
SPECT es similar a PET: genera imágenes funcionales de radiotrazadores
SPECT - principios
• Se administra un radiofámaco al paciente, compuesto marcado con emisor Gamma
• Se determina la posición del evento mediante un
cabezal con un cristal detector.
• Necesita colimadores frente al cristal para
detectar radiación sólo en la dirección de
interés.
• Este cabezal puede girar alrededor del paciente
para adquirir proyecciones tomográficas.
• El principio de reconstrucción es similar a PET
SPECT – Propiedades de imagen
• SPECT genera imágenes funcionales y en 3D con resolución inferior a PET (~1cm)
• Permite una amplia variedad de estudios con distintos radionucleídos y radiofármacos
• Los radionucleídos tienen vida media más larga que PET y pueden producirse a distancia : menor costo.
• Se pueden estudiar procesos dinámicos
en tiempos prolongados
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SPECT
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Single Photon Emission Tomography
SPECT : información funcional
Ultrasonido, US
• Basada en el principio del sonar. Se envía sonido de alta frecuencia al cuerpo, típicamente unos MHz y se estudian los ecos.
• Puede dar imágenes dinámicas en 2D o
3D con un equipo compacto.
• Las imágenes tienen sus artefactos como
ruido coherente, speckle y propagación no
lineal del sonido.
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Ultrasonido
Ultrasonido, tejido blando
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Cardio
Imágenes cardíacas con US
Corazón en movimiento
Monitoreo fetal
Visualización 3D
Eco-Doppler
Algunas ventajas de datos digitales
• Mayor contraste en imágenes con menor radiación
• Puede manejar la información eficientemente con
PACS – Picture Archiving and Communication
Systems
• Procesado de datos en 3D/4D:
– Cortes tomográficos en cualquier plano
– Visualizaciones tridimensionales
– Creación de imágenes paramétricas (ej. consumo de
glucosa en cada pixel, etc)
• Segmentación, Registración, Fusión.
• Extracción de información cuantitativa
Hombre vs. computadora
• El ser humano es superior para reconocer e interpretar patrones
• La computadora suele ser superior en:
– Almacenamiento
– Transporte
– Presentación
– Contaje y medición
• La computadora puede mejorar la
visualización para análisis humano.
PACS – Sistema de Archivo y Comunicación de Imágenes
• En un hospital actual se archivan cientos de estudios o miles de imágenes por día.
• Un PACS (Picture Archiving and Communication System), ayuda a administrar esta tarea.
• Existe un protocolo consensuado para transmisión y formato de imágenes médicas (DICOM) – Digital Communication in Medicine
• Requiere redes y almacenamiento de gran capacidad (varios TB por día).
Realce digital
• El formato digital permite mejorar la presentación y el poder diagnóstico de la imagen.
• Operaciones:
– Punto a punto
– Máscaras de vecindad
– Dominio de frecuencias
Transformaciones punto a punto
Inversión de contraste - mamografía
Realce de contraste
Sustracción de imágenes
Filtrado espacial
Filtro promedio
Filtro reductor de ruido
Imagen original
Filtro promedio 3x3 Filtro mediana 3x3
Filtro de nitidez
Ejemplo filtrado
a) Imagen cuerpo entero
b) Filtro Laplace
c) Suma a y b
d) Filtro Sobel a
e) 5x5 promedio
de a
f) c*e
g) a+f
h) Greyscale
transf. of g
Mamografía
Mamografía
Mamografía
Representación volumétrica
Transformar un objeto 3D en 2D. Se envía un rayo imaginario a través de cada pixel de la
imagen. El color e intensidad son determinados por la
interacción entre el rayo y los elementos de volumen con
distintas fuentes de luz.
Sombreado en niveles de grises con gradientes
• Se elige un umbral en nivel de gris y se mandan rayos al volume hasta que se encuentra un voxel con un valor mayor al umbral
• Los gradientes de intensidad en dichas posiciones se combinan
con las fuentes de luz para renderizar la imagen.
• Los planos de corte se usan para remover partes del volumen y
hacer otras visibles.
MRI PET
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Renderizado: métodos
• Modalidades simples
– Sombreado en gradiente por niveles de gris
– Maximum intensity projection (MIP)
– Proyección integrada
• Múltiples modalidades
– Visualización combinada
– Segmentación implícita
– Proyección de actividad cortical
Visualización 3D en CT
Más fácil
que para
RM por
tener
números de
Hounsfield
fijos
Proyecciones MIP de una angiografía con RM.
MIP original Arterias Venas
Conectividad de niveles de grises – Análisis de imagen
Proyección de intensidad
máxima (MIP)
• Se determina el mayor valor a lo largo de cada rayo
• particularmente útil para
estructuras pequeñas e intensas
•
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Fusión de imágenes
• Información complementaria (anatómica y funcional)
• Incluye:
– Registración espacial
– Visualización combinada
– Análisis combinado
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Start
Transformar
Evaluar función de similaridad
Converge?
Elegir nuevo conjunto de parámetros
Referencia Flotante
No Sí
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PET-MRI
SPECT-MRI
Registración multimodal combinada con
visualización 3D
- =
Proyección superficial de actividad cortical
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La visualización en 3D requiere segmentación
• Pequeñas diferencias en los distintos tipos de tejido hacen necesario los métodos avanzados de segmentación
• Gran demanda de cada vez mayor detalle
en la anatomía (y función).
• Se requiere de interacción rápida entre
máquina-humano
Resumen
• Podemos explorar anatomía y función con diversas modalidades
• Física al servicio de la medicina.
• Etapas en el diagnóstico por imágenes médicas: generación, reconstrucción, visualización, análisis y reporte (informe)
• Diagnóstico asistido por computadora: en
constante evolución.