1 FAMÍLIA DE ECF IF 2 ECF IF 3202 DT 3 ECF IF 6000 EP FAMÍLIA DE ECF IF.
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Serviço de InformáticaInstituto do Coração – HC FMUSP
I f áti A li d IInformática Aplicada a Imagens MédicasMédicas
MCP - 5840Marco Antonio GutierrezEmail: marco gutierrez@incor usp brEmail: [email protected]
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Motivação: Visualização 2D e 3D
• Seqüências espaciais e temporaise temporais
• Estruturas dinâmicas• Cortes oblíquos• Cortes oblíquos
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Motivação: Quantificação
• ÁreaÁrea• Volume
Di tâ i 3D• Distância 3D• Curva de evolução temporalç p• Índices
variação (fração de ejeção )Normalized Kinetic Energy
7 normal subjects1.0HD– variação (fração de ejeção, ...)
– derivadas (taxas de enchimento, ...)0 0
0.3
0.5
0.8
Kin
etic
Ene
rgy JG
LSCMWPMLAS
0.01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Cardiac Cycle
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Motivação: Análise
• Visualização 3D, 3D dinâmica (4D)• Visualização em direções oblíquasç ç q• Aspectos funcionais
– movimento, contração, ç– fisiologia, metabolismo
• Classificaçãoç
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Motivação: Fusão
• Conjugação de imagens para melhorar a sensitividade e sensibilidade diagnóstica (fusão)sensibilidade diagnóstica (fusão)
• Alinhamento de imagens 3D– Estudo multi-modal (CT, MRI, SPECT, ..) quantitativaEstudo multi modal (CT, MRI, SPECT, ..) quantitativa– Aumento da sensitividade e da especificidade diagnóstica
L R
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Processamento Digital de Imagens
FormaçãoIdentificação
deestruturas
Quantificaçãoe
visualizaçãoInterpretação
•Aquisição•Tomografia
•Pré-processamento•Segmentação
•Classificação•Intel. Artificial
•Cálculos.•Parâmetros
ç
•Tomografia g ç•Reconhecimento •Redes neurais
•InformaçãoNormalized Kinetic Energy
•Comp.gráfica
Processamento Digital de Imagensgy
7 normal subjects
0.3
0.5
0.8
1.0
Kin
etic
Ene
rgy
HDJGLSCMWPMLAS
0.01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Cardiac Cycle
AS
c
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Amostragem e QuantizaçãoDi it li ã di ti ã i l ( t )Digitalização: discretização espacial (amostragem) e de intensidade (quantização)
Sinal digital
Sinal analógico
Sinal digital
2q ...
itude
0 q
-q
Ampl
i
-2q ...
q
Erros de
ti ã 0 T 2T 3T Erros de
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quantização 0 T 2T 3T ...
Tempo ou espaço Amostragem
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Imagem monocromática
Função F(x,y)•(x y): coordenadas espaciais•(x, y): coordenadas espaciais •F(x,y): intensidade ou brilho da imagem em (x,y)
y
x
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Imagem digital monocromática
250
j=266i=2
100
150
200
0 100 200 300 400 5000
50
100
0 100 200 300 400 500
250
i = 2
142...161161 100
150
200
............142...161161
0 50 100 150 200 250 300 3500
50
j 266
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95...163163 j = 266
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Processo de DiscretizaçãoProcesso de Discretização
4x
16x
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Processo de DiscretizaçãoProcesso de Discretização
95 80 80 8095 90 90 105
150 20 100 130220 150 160 150
256 tons de cinza
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220 150 160 150
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640h x 480v em 256 cores
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320h x 240v em 256 cores
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160h x 120v em 256 cores
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80h x 60v em 256 cores
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40h x 30v em 256 cores
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640h x 480v em 256 tons de cinza
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640h x 480v em 8 tons de cinza
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640h x 480v - imagem binária
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Modalidades de Imagens Médicas
RX
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Modalidades de Imagens Médicas
Cine-angio-coronariografia
MS
P-H
CFU
MIn
Cor
-
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Modalidades de Imagens Médicas
DSA Angiografia Digital SubtrativaDSA - Angiografia Digital Subtrativa
- =
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Modalidades de Imagens Médicas
Ultrassom: H O ZEcoOnda mecânica Pulso
H2O Z
Onda mecânica Pulso
Envia/Escuta tEnvia/Escuta t
AA
t
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t
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Modalidades de Imagens Médicas
• Ultrassom
Modo B
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Modalidades de Imagens Médicas
UltUltrassom
M d BModo B
Virtual BodyB&N S ft
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B&N Software
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Modalidades de Imagens Médicas
• Ultrassom Modo M
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t
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Modalidades de Imagens Médicas
• Ultrassom Modo Doppler: Efeito Dopplerpp pp
F0 F1
F0 > F1
F VF~V
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Modalidades de Imagens Médicas
• Ultrassom Modo Color-Flow MapUltrassom Modo Color Flow Map
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Modalidades de Imagens Médicas
Ultrassom Modo Color-Flow MapUltrassom Modo Color-Flow Map
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Modalidades de Imagens Médicas
Ressonância Magnéticag
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Modalidades de Imagens Médicas
Ressonância MagnéticaRessonância Magnética
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Modalidades de Imagens MédicasModalidades de Imagens MédicasggRessonância Magnética
Fr
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Modalidades de Imagens Médicas
• Ressonância Magnética
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Modalidades de Imagens Médicas
Reconstrução Tomográfica: Modalidade SPECTModalidade SPECT
Gama-câmara
Miocárdio marcado commaterial radioativo (Tc)
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Modalidades de Imagens MédicasR t ã T áfiReconstrução Tomográfica:
Modalidade de Emissão de Raio-X
RX
RX R
X
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Conceitos básicos
• Imagem digital => matriz n-dimensionalx
y• 2D => pixel (picture element)
– raio X - CR (4096 x 4096 x 2B)
y
– short f[4096][4096]• 3D => voxel (volume element) x
– CT multi-slice (700cortes x 512 x 512 x 2B)– XA (1000 quadros x 512 x 512 x 1B)
b t f[1000][512][512]
zy
– byte f[1000][512][512]• 4D => spel (space element)
gated SPECT MRI– gated SPECT, MRI,..
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Resolução Espacial e de Profundidade
256x256 / 256 níveis 256x256 / 64 níveis 256x256 / 2 níveis256x256 / 256 níveis 256x256 / 64 níveis 256x256 / 2 níveis
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32x32 / 256 níveis
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Histograma Histograma
nl nível de cinza l ocorre nl vezes em imagem com n pixels
nlP l)(
Imagem 7 6
g pn
lP )(
3 3 5 4
0 0 1
33300 3 2 1
3 3 3 0 0
3 3 1 1 1
l
1 0
3210 l 3210
Imagem 3 x 5 (L = 4) e seu histograma
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Imagem 3 x 5 (L 4) e seu histograma
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Histograma
• O histograma representa a distribuição estatística d í i d i d ide níveis de cinza de uma imagem
nl nl nl
l20
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l 255 0 l 255 0 l 255 0
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Histograma
8000
10000
2000
4000
6000
0 50 100 150 200 250
0
1500
500
1000
0 50 100 150 200 250
0
500
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Conceitos importantes
• Resolução EspacialResolução Espacial – Define riqueza de detalhes da imagem
• Resolução de Profundidade– Define riqueza de meios-tonsq– Define cores
Histograma• Histograma– Distribuição estatística dos níveis de cinza em
uma imagem
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Problemas: Imagens Corrompidas
D d ã R íd• Degradação – Não
h id d
• Ruídos– Térmico
homogeneidade dos sensoresNã li id d
– Estático– Quantização
– Não linearidade– Difração– Movimento e/ou
Deslocamento
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Ruído Gaussiano
Ti d íd i f ü t i• Tipo de ruído mais freqüente em imagens
histograma
mf
fh
i
paraexp 2
2
2)(
1 histograma
do ruído ii fh para,
2p
if : valor do i-ésimo pixel da imagem 255m
: média e desvio padrão do ruído,m
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 43
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Ruído Gaussiano
Originalg
histograma1 do ruído
50
255m
75
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 44
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Ruído “Sal e Pimenta”
Mal funcionamento dos detectores
histograma1
histogramado ruído
255s p
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Melhorar a qualidade da imagem
• Operações pontuais– remoção de ruído– remoção de ruído– equalização do histograma
O õ i i• Operações espaciais– suavização do ruído– filtros
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 46
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Operações Pontuais
• Alteram a escala de tons de cinza t é d t f ãatravés de uma transformação:
]0[ Lu
]0[],0[
)(LvLu
ufv ],0[ Lv
Alargamento do Contraste• Alargamento do Contraste• Limiar (Thresholding)• Equalização do histograma
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 47
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Alargamento do contraste
0
v
buaau
vauu
v
0)(
vb
Lubbua
vbuvauv
b
a
)()(
vb
a b L
va
u
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 48
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Limiar
v
L ua L uv
a L u
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 49
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Equalização de Histograma
r
lln
RCLroundrTs
0
1)( lRC 0
1000
1500
0
500
0 50 100 150 200 250
0
1500
500
1000
1500
0 50 100 150 200 250
0
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 50
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Equalização de Histograma
• Exemplo: imagem 64 x 64, L = 8Exemplo: imagem 64 x 64, L 8
l nl l nl
0 790 1 1023
1200 1 10232 850 3 656
1000
800
6003 6564 329 5 245
600
400
2006 122 7 81 l
2000
76543 2 10
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 51
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Equalização de Histograma
• r = 0 s = round (790 x 7 / 4096) = 1• r = 1 s = round (1813 x 7 / 4096) = 3( / )• r = 2 s = round (2663 x 7 / 4096) = 5• r = 3 s = round (3319 x 7 / 4096) = 6• r = 4 s = round (3648 x 7 / 4096) = 6• r = 5 s = round (3893 x 7 / 4096) = 7• r = 6 s = round (4015 x 7 / 4096) = 7• r = 7 s = round (4096 x 7 / 4096) = 7
1)(0
nRCLroundrTs
r
ll
409664640
RCRC l
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 52
8L
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Equalização de Histograma
• Exemplo: imagem 64 x 64, L = 8
l nl nkl nl
0 0 1 790
k
1200
2 0 3 1023
1000
800
6004 05 850 6 985
600
400
2006 9857 448 k
200 0
7 6 5 4 3 2 1 0
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 53
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Equalização do histograma
I i i l I ó li ã
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 54
Imagem original Imagem após equalização
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Operações no domínio espacial
O õ li d i f õ d• Operações realizadas com informações da vizinhança de cada pixel da imagem originalCon ol ção da imagem original com filtro de• Convolução da imagem original com filtro de resposta ao impulso finita (máscara de convolução)convolução)
• Operadores: Média podenrada, Gaussiano, Laplaciano Sobel Mediana etcLaplaciano, Sobel, Mediana, etc,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 55
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Máscara de convolução
1 1
lmknflkhmng
1 1
,,,k l
lmknflkhmng
8 9 38 2 28 4 89 2 2
4 8 8 0 3 0W
-1,1
xW0,1
W1,1
W W W4 8 8 0 3 09 8 12 8 9 11 8 5 9 7 6
W-1,0
W0,0
W1,0
W-1,-1
W0,-1
W1,-11 8 5 9 7 6
2 5 1514 8 8
f
lkh ,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 56
mnf , mng ,
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Filtro Média Espacial (passa-baixa)
1 1
,,1, lmknflkhN
mng 1 1k lklN
8 9 38 4 8
8 2 29 2 2 1 1 1
58 894 8 8 0 3 09 8 12 8 9 1
1 1 11 1 11 1 19 8 12 8 9 1
1 8 5 9 7 62 5 1514 8 8
1 1 1
lkh ,2 5 1514 8 8
mnf ,
,
mng ,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 57
f g
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Filtro Média Ponderada (passa-baixa
1 1
,,, lmknflkhmng 1 1
,,,k l
fg
8 9 38 4 8
8 2 24 2 2 1 2 1
44 8 8 0 3 09 8 12 8 9 1
1 2 12 3 21 2 1
1 8 5 9 7 62 5 1514 8 8
1 2 1
lkh ,2 5 1514 8 8
mnf ,
mng ,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 58
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Filtro Média Ponderada (passa-baixa)
1 2 12 3 2
1 1
lmknflkhmng 2 3 21 2 1
1 1
,,,k l
lmknflkhmng
lkh ,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 59
Original Imagem Filtrada
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Filtro Gaussiano (passa-baixa)
8 9 38 4 8
8 2 29 2 2
38 1 1 2 1 1
8 9 38 4 8
8 2 29 2 2
38
4 1 8 4 3 09 3 1 2 3 1
01
2 4 22 4 8 4
12
18 4 89 2 2
4 8 8 0 3 09 8 12 3 9 1
8012
1 4 5 3 1 22 5 7 1 2 0
68
1 2 4 21 2 1
111
9 8 12 3 9 11 8 5 9 7 62 5 15 14 8 8
1682 5 7 1 2 0 8
5 1 1012 3 2 11 2 1 11 2 5 15 14 8 8 8
5 1 1012 3 2 1
lkh ,
mnf , mng ,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 60
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Filtro Gaussiano
3x33x3
5x5
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 61
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Sharpening (passa-alta)
1 1
,,1, lmknflkhN
mng 1 1k lklN
8 9 38 2 28 4 89 2 2
4 8 8 0 3 0-1 -1 -1-1 8 -1
9 8 12 8 9 11 8 5 9 7 6
8-1 -1 -1
2 5 1514 8 8
f
lkh ,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 62
mnf ,
![Page 63: If áti Ali d IInformática Aplicada a Imagens Médicas MCP ... · PDF fileServiço de Informática Instituto do Coração – HC FMUSP If áti Ali d IInformática Aplicada a Imagens](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022504/5ab5302a7f8b9a7c5b8c78aa/html5/thumbnails/63.jpg)
Filtro Derivada Horizontal (passa-alta)
1 1
,,,k l
lmknflkhmng
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1k l
2 0 -20 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 2 0 0 -20 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0
24 0 -42 0 -2
0 16 16 16 1600
0 0 0 0 0 0 0
8 8 0 0 800
0 0 6 6 -60 0 2 0 0 22
0 0
0 16 16 16 16000 16 16 16 1600
0 16 16 16 1600
6 6 0 0 -6008 8 0 0 -800
8 8 0 0 -800
lkh ,0 16 16 16 1600 6 6 0 0 -600
mnf mng ,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 63
mnf , mng ,
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Filtro Derivada Vertical (passa-alta)
1 1
,,,k l
lmknflkhmng
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1k l
2 4 20 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 6 8 8 6
0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0
22 4 20 0 0
-2 -4 -20 16 16 16 1600
0 0 0 0 0 0 00 0 2 6 6
0 0 6 8 8 62
8 82 4 2
0 16 16 16 1600
0 16 16 16 16000 0 0 0 000
0 0 0 0 000
lkh ,0 16 16 16 1600 -2 -6 -8 -8 -600
mnf mng ,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 64
mnf , mng ,
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Filtro Gradiente (passa-alta)x
-1 -1 -10 0 0
-1 0 11 0 1
x
y
0 0 0 0 0 0 0
Prewitt0 0 01 1 1
-1 0 1-1 0 1
xy
0 00 0 6 8 8 60 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0
3
22 ff
x
y
y0 0 0 0 0 0 0
88 8 0 0 8008 8 0 0 800
0 0 6 8 88 8
yf
xffy
0 16 16 16 1600
0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0
688 800
8 8 0 0 8008
-1 -2 -1-1 0 1x
0 16 16 16 16000 16 16 16 16000 16 16 16 16000 16 16 16 1600
8
1 2 10 0 01 2 1
1 0 1-2 0 2-1 0 1
Sobely0 16 16 16 1600
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 65
1 2 1-1 0 1
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Filtro Gradiente (Máscara de Sobel)22 yxyxGauss
2exp, 2
22
yxfyxGaussyxg ,,,
22 GGG
yx
G
A B C
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Filtro Laplaciano (segunda derivada)
1 1
,,, lmknflkhmng 1 1
,,,k l
fg
8 9 38 1 28 4 89 2 6
4 8 8 0 3 0-20 -1 0
-1 4 -19 8 12 8 9 11 8 5 9 7 6
1 4 -10 -1 0
lkh2 5 1514 8 8 lkh ,
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 67
mnf , mng ,
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Laplaciano da Gaussiana (LoG)
original g[x,y] g[x,y] + original
0 -1 0-1 4 -1
yxyxGauss2
exp, 2
22
lkh
1 4 10 -1 0 yxfyxGaussyxg ,,,
22
Serviço de Informática – InCor HC FMUSP - Aula Processamento de Imagens 68
lkh , yfyyg
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Domínio do Espaço e Tempo: Gradiente
tfvf
i) (OFC)
ii) v v vx y z2 2 2
0 (suavização)
dxdyyv
xvfvf t
2222
iii) (regularização)
A
t
B
A
x OFC + suavização =
y
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Derivadas espaciais e temporais em 2D e 3D
2D 3D
222tyyxxx
xx
EvEvEEvv
2222
zyx
tzzyyxxxxx EEE
EvEvEvEEvv
222
222
tyyxxyyy
yxxx
EvEvEEvv
EEvv
2222
zyx
tzzyyxxyyy
y
EEEEvEvEvEE
vv
222yx
yy EE
2222
zyx
tzzyyxxzzz EEE
EvEvEvEEvv
• Imagem 2D 64x64, 8.192 incógnitas;• Imagem 3D 64x64x64, 786.432 incógnitas;• ART, Gradiente Conjugado, etc;
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Uso de phantoms para validar métodosC d t d l id dCampo de vetores de velocidade obtido aplicando a DWV
4D Mathematical Cardica-Torso PhantomPretorius, et al. Medical Physics, 26:2323-2331, 1999
1 Imagens 3D dinâmicas (4D)
Campo de vetores de velocidade obtido aplicando a DCW
1. Imagens 3D dinâmicas (4D)2. Simula as câmaras cardíacas e
estruturas do tórax (dimensões, volumes massa etc);volumes, massa, etc);
3. Simula movimentos das estruturas;4. Inclui o movimento relativo à respiração;
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Quantificação em Gated-SPECT (99mTc-MIBI)
ECG1234
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Quantificação em Gated-SPECT (99mTc-MIBI)
a) b)
c))
a) Imagem 3D do ventrículo esquerdo; b) campo devetores de velocidade para um plano de interesse sobre aimagem em a); c) estruturas das fibras em um ventrículo
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imagem em a); c) estruturas das fibras em um ventrículodessecado
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Quantificação em Gated-SPECT (99mTc-MIBI)
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Energia Cinética : novo parâmetro fisiológico
• Seção transversal (2D) de um estudo Gated-SPECT d E i Ci éti btid bSPECT e a da Energia Cinética obtida com basena estimativa de velocidade
K e m v v vx y z 12
2 2 2
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2
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Energia Cinética Normalizada e Volume do VE
Energia Cinética Normalizada Energia Cinética e Volume do VE
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Mapa Polar de Energia Cinética
Campo de Vetores deVelocidade
Seção transversal2D
Mapa Polar3D 2D
Energia Cinética do VE
2D 3D->2D
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Processamento Digital de Imagens
FormaçãoIdentificação
deestruturas
Quantificaçãoe
visualizaçãoInterpretação
•Aquisição•Tomografia
•Pré-processamento•Segmentação
•Classificação•Intel. Artificial
•Cálculos.•Parâmetros
ç
•Tomografia g ç•Reconhecimento •Redes neurais
•InformaçãoNormalized Kinetic Energy
•Comp.gráfica
Processamento Digital de Imagensgy
7 normal subjects
0.3
0.5
0.8
1.0
Kin
etic
Ene
rgy
HDJGLSCMWPMLAS
0.01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Cardiac Cycle
AS
c
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