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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.