FUNDAMENTE DESISTEME BIOLOGICE I

INFORMATIC MEDICAL

Cursul 609-11-2010

.l.dr.ing. Adriana ALBUadriana.albu@aut.upt.ro

www.aut.upt.ro/~adrianaa

mailto:adriana.albu@aut.upt.ro

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