RECONSTRUCTIA IMAGINILOR IN TOMOGRAFIA COMPUTERIZATA

RECONSTRUCTIA IMAGINILOR IN TOMOGRAFIA COMPUTERIZATA

Introducere

De la descoperirea lor in 1895 de catre Wilhelm K. Rntgen, radiatiile X au avut un rol major in investigarea corpului omenesc, capacitatea lor de a penetra tesuturile umane permitand pentru prima oara observarea in vivo a morfologiei si patologiei diverselor organe.

Dezvoltarea tehnologica ce a caracterizat secolul XX a marcat desigur si evolutia aparaturii si componentelor folosite pentru generarea de raze X precum si a materialelor folosite pentru inregistrarea imaginilor. In ciuda acestor salturi calitative ale imagisticii radiologice, principiul obtinerii imaginilor a ramas neschimbat: proiectia intregii zone investigate pe un singur plan, cel al 'placii fotografice'. Interpretarea imaginilor astfel obtinute a constituit totdeauna un lucru dificil, accesibil doar persoanelor bine familiarizate cu aceste imagini. Acest fapt a condus chiar la aparitia in lumea medicala a unei specializari aparte - radiologia - al carei scop a fost tocmai interpretarea imaginilor obtinute in urma expunerii pacientului la un flux de raze X. Fundamentele matematice ale reconstructiei imaginilor din proiectii au fost elaborate inca din 1917 de catre J. Radon, dar abia in 1963 A.M. Cormack de la Universitatea din Cape Town a publicat un articol in care a pus de fapt bazele teoretice ale tomografiei computerizate, imbinand obtinerea proiectiilor cu ajutorul radiatiilor X cu procedeul reconstructiei imaginilor din proiectii.

Realizarea practica a primului prototip a mai necesitat inca patru ani, astfel incat

primele imagini de tomografie computerizata au fost obtinute in 1967 de G.N. Hounsfield, angajat la vremea aceea al casei de discuri 'EMI Records'. Eforturile sale au demonstrat viabilitatea metodei imagistice si au atras atentia catorva firme producatoare de echipament radiologic astfel incat, in doar cativa ani, echipamentele de tomografie computerizata au inceput sa fie produse in serie. Acest fapt a marcat inceputul unei competitii sustinute intre echipele de cercetatori astfel incat, de la primul echipament comercial instalat in 1971, pana la echipamentele produse in zilele noastre, saltul tehnologic a devenit impresionant, rezultatele materializandu-se intr-o calitate deosebita a imaginii obtinute si un timp de investigatie foarte redus care permite deja achizitia a 8 sectiuni intr-o secunda. Algoritmii de reconstructie au necesitat de la bun inceput un volum foarte mare de calcul, astfel incat evolutia calculatoarelor a reprezentat un factor major in atingerea acestor performante. Insasi denumirea de 'Tomografie Computerizata' (cu prescurtarea CT de la 'Computed Tomography') sugereaza de fapt complexitatea metodei si faptul ca datele achizitionate in urma expunerii pacientului la radiatiile X nu tradeaza nimic din aspectul imaginii finale obtinute in urma unui calcul complicat. Primul CT avea un sistem de achizitie cu un singur detector astfel ca intensitatea radiatiei X emisa de tub si atenuata de tesuturile strabatute era citita practic intr-un singur punct. Acest ansamblu format din tub si detector era translatat in lungul unei axe pentru a se obtine proiectia pe acea axa a transparentei la raze X a corpului investigat. Odata achizitionata aceasta proiectie, urma o miscare de rotatie pentru a pregati astfel achizitia unei noi proiectii dar sub un alt unghi, achizitie realizata prin aceeasi miscare de translatie. Desi functionala, metoda bazata pe alternanta translatie/rotatie s-a dovedit a fi mare consumatoare de timp si din acest motiv, in efortul de a reduce timpul de achizitie, primul pas a fost facut in directia multiplicarii detectorului care a devenit de fapt o arie de detectori cu aproximativ 20 celule. S-a nascut astfel cea de-a doua

generatie de CT, foarte asemanatoare cu prima dar care, datorita noului tip de detector care permitea achizitia simultana a mai multor puncte din proiectie, putea reduce timpul de achizitie cam cu un ordin de marime.

Arhitectura unui echipament de tomografie

computerizata

Echipamentele pentru tomografie computerizata aflate in exploatare in zilele noastre au beneficiat foarte mult de evolutia tehnologica a ultimilor ani astfel incat, ceea ce ocupa o intreaga camera cu zece - cincisprezece ani in urma, astazi este concentrat in spatiul aferent consolei aparatului. Fizic, un astfel de sistem prezentat In figura de jos. este compus din trei componente: gantry-ul, consola si

masa de examinare, componente ce vor fi detaliate in cele ce urmeaza.

Tomografia Computerizata (CT) cu raze X este o metoda neinvaziva de investigatie ce permite reconstructia digitala a functiei de distributie a coeficientului liniar de atenuare intr-o sectiune a obiectului investigat, avand numeroase aplicatii in medicina, geologie si arheologie. Procesarea imaginii prin intermediul programelor ImageJ, Adobe Photoshop, MATLAB, etc. are ca scop spoririea calitatii imaginilor, identificarea obiectelor necesare in analiza cantitativa precum si observarea geometriei unor regiuni de interes. Prelucrarile bazate pe histograma, calcularea indicatorilor statistici descriptivi: indicatorii tendintei centrale (mod, medie, mediana), indicatorii imprastierii (amplitudine, abatere standard) si indicatorii formei distributiei (indice de simetrie - ,,skewness'' si indice de boltire - ,,kurtosis''), utilizarea programelor STATISTICA si OriginPro in obtinerea diagramelor de profil si realizarea reprezentarilor grafice 3D au permis analiza detaliata a structurilor din cadrul unei imagini CT. Tomografia Computerizata cunoscuta si cu denumirea de Tomografia Axiala Computerizata (CAT) constituie o tehnica eficienta de evaluare neinvaziva prin intermediul careia se obtin imagini 2D si 3D ale obiectelor investigate. Metoda Tomografiei Reconstructive Computerizate permite reconstructia unei functii care descrie valorile locale ale coeficientului liniar de atenuare sau ale densitatii substantei folosite ca trasor radioactiv. Cresterea numarului de proiectii va conduce la sporirea rezolutiei cu care functia reconstituita descrie distributia reala a marimilor de interes. Fiind o tehnica noua ce deriva din metodele clasice de investigatie bazate pe atenuarea radiatiilor X sau , avand aplicatii in medicina referitoare la diagnosticul leziunilor sau al tumorilor intracraniene, tomografia computerizata este intalnita si ca o metoda de defectoscopie nedistructiva in geologie, fizica iradierii materialelor, etc. Realizarea unei tomografii computerizate presupune parcurgerea a doua etape distincte: obtinerea unui numar minim necesar de proiectii si utilizarea unor algoritmi eficienti pentru recompunerea dupa proiectii a valorilor locale ale functiei de interes.

Prelucrarea imaginilor

Tehnicile de procesare (prelucrare) a imaginilor contribuie la diferentierea dintre tesutul anormal (tumorile) si celelalte tesuturi, furnizand informatii detaliate cu privire structura interna a obiectului investigat intr-o mai mare masura decat imaginile tomografice neprelucrate. ImageJ 1.37 este un program Java de procesare a imaginilor. El poate afisa, edita, procesa si analiza imagini de 8-bit, 16-bit si 32-bit. Softul de prelucrare a imaginilor Adobe Photoshop CS2 a fost utilizat in conjunctie cu programul Corel PHOTO-PAINT 12.0 pentru a imbunatati calitatea imaginilor CT prin ajustarile si efectele speciale aplicate . Comanda Threshold realizeaza modificari cu privire la contrastul pixelilor reducand sau chiar eliminand elementele parazite din imagine si in acelasi timp transforma toate culorile in alb si negru pe baza valorilor originale de luminozitate ale pixelilor. Raza stabileste distanta in pixeli de la linia de contur spre interiorul suprafetelor pe care se aplica filtrul. Cu cat valoarea este mai mare, cu atat efectul de margine este mai evident. Filtrul de Egalizare a Histogramei aplicat pentru marirea contrastului controleaza intervalul de tonuri (zone sau tonuri intunecate, tonuri medii de gri si tonuri luminoase) pentru canale compuse sau separate de culoare. Ajustarea Threshold prezinta mai multe variante de executie, care au fost aplicate cu succes in studiul imaginilor CT cu raze X.

Pseudocolorarea este o tehnica de imabunatatire a vizibilitatii anumitor componente ale imaginii (sau a imaginii in ansamblu) prin modificarea paletei de culoare cu care imaginea este afisata. Corel PHOTO- PAINT 12.0 furnizeaza filter de ajustare si a tonurilor intr-o imagine. Filtrul Brush Strokes furnizat de Adobe Photoshop CS2 a fost utilizat cu scopul de a accentua conturul ariilor de interes. Astfel a fost realizat si efectul de transparenta care presupune aplicarea unor algoritmi proprii de executie. Hue reprezinta nuanta (tipul culorii) Saturation indica saturatia (intensitatea, puritatea culorii) iar lightness ilustreaza proportia de alb din imaginea CT cu raze X. Tesuturile anormale sunt clar vizibile dupa aceasta procesare. Filtrele pentru contur detecteaza si accentueaza marginile obiectelor si selectiilor din imaginea CT a creierului normal.

Analizarea datelor in imagistica medicala

Analiza de particule

Prin intermediul acestei comenzi se pot numara si masura obicetele din imagini in forma binara sau Threshold. Odata segmentata imaginea, se pot obtine informatii variate cu privire la marimea si numarul particulelor. Cu ajutorul softului ImageJ se pot efectua masuratori ale obiectului selectat si se pot afisa valorile indicatorilor statistici descriptivi: moda, media, mediana, amplitutine si abatere Standard.

Analiza prin intermediul Histogramei

Histograma este definita ca functia densitatii de probabilitate a nivelelor de gri dintr-o imagine (variatia numarului de pixeli dintr-o imagine CT cu raze X in funstie de nivelurile de gri, pornind de la nivelul cel mai intunecat 0 pana la cel mai luminos 256).

Concluzii

Tehnicile de prelucrare si analiza a datelor in Tomografia Computerizata cu raze X au fost aplicate in vederea imbunatatirii calitatii imaginilor, avand ca stop identificarea obiectelor necesare in analiza cantitativa precum si observarea geometriei unor regiuni de interes. Analiza de particule, calcularea indicatorilor statistici descriptivi, analiza FFT (Fast Fourier Transform), MATLAB, STATISTCA si alte software-uri, au condus la stabilirea detaliilor interne de structura ale obiecteleor investigate.

Bibliografie

https://www.materialise.com/

https://popamarian.googlepages.com/spss_04_descriptiv.pd

V. Stanciulescu, Teza de doctorat, Modelarea computerizata a structurii osoase faciale in vederea protezarii si interventiilor chirurgicale reparatorii, Universitatea Politehnica Timisoara, Timisoara, 2003.