Sadržaj 1.
1 1
Uvod
Istorija Primena 2.
2 3
Digitalna slika
Digitalizacija slike Detektorski sistemi 2.2.1. CR – Kompijuterizovana Kompijuterizovana radiografija
4-7 7 8-9
2.2.2 DR – Digitalna radiografija 3.
9-13 14
Digitalna obrada slike
Fourijerova transformacija transformacija Konvolucija i dekonvolucija Korekcija neadekvatne ekspozicije Kvalitet digitalne slike
14 15 15-16 17
3.4.1. Frekvencija 3.4.2. Kontrast 3.4.3 Pojačavanje vidljivosti detalja
17 17-20 21-23
3.4.4 Šum Histogram
23 24-25
Trodimenzionalna slika 4.
Kompresija slike
26-27 28
5.
Informacione tehnologije (IT sistemi)
29
PACS – sistem 6.
Zaključak
29-30 32
1. UVOD Digitalna obrada slike predstavlja skup metoda za obradu slike pomoću računara. Slike koje se obrađuju mogu imati različito poreklo. Slike mogu poticati sa satelita i drugih letelica, ure đaja za medicinsku dijagnostiku, telekomunikacionih uređaja za prenos, memorijskih medijuma za skladištenje, radara, sonara i drugih uređaja. U najvećem broju slučajeva ulazna slika u sistem za obradu slike potiče iz vidljivog dela spektra, mada u nekim slu čajevima predstavlja dvodimenzionalni signal iz nevidljivog dela elektromagnetskog spektra. Zbog toga se u širem smislu, termin digitalna obrada slike koristi i za obradu bilo kakvih dvodimenzionalnih podataka. Izlazni signal iz sistema za digitalnu obradu slike je naj češće nova slika koja se prikazuje na video monitoru. Osim toga, izlazni podaci mogu biti prikazani i u obliku fotografije ili filma, a u nekim primenama i u vidu numeri čkih podataka.
1.1. Istorija Digitalna obrada slike vodi poreklo iz ranih dvadesetih godina prošlog veka. Naime, prva primena digitalne obrade slike bila je za kodovanje slika koje su prenošene kablovskom vezom preko Atlantskog okeana i rekonstruisane na prijemnoj strani. Uvođenjem elementarnih tehnika digitalne obrade slike znatno je skraćen proces prenosa slike i popravljen kvalitet. Mada je u kasnijem periodu došlo do znatnog napretka u tehnikama prenosa i rekonstrukcije slike, tek je sa usavršavanjem računarske opreme i
-1-
1. UVOD Digitalna obrada slike predstavlja skup metoda za obradu slike pomoću računara. Slike koje se obrađuju mogu imati različito poreklo. Slike mogu poticati sa satelita i drugih letelica, ure đaja za medicinsku dijagnostiku, telekomunikacionih uređaja za prenos, memorijskih medijuma za skladištenje, radara, sonara i drugih uređaja. U najvećem broju slučajeva ulazna slika u sistem za obradu slike potiče iz vidljivog dela spektra, mada u nekim slu čajevima predstavlja dvodimenzionalni signal iz nevidljivog dela elektromagnetskog spektra. Zbog toga se u širem smislu, termin digitalna obrada slike koristi i za obradu bilo kakvih dvodimenzionalnih podataka. Izlazni signal iz sistema za digitalnu obradu slike je naj češće nova slika koja se prikazuje na video monitoru. Osim toga, izlazni podaci mogu biti prikazani i u obliku fotografije ili filma, a u nekim primenama i u vidu numeri čkih podataka.
1.1. Istorija Digitalna obrada slike vodi poreklo iz ranih dvadesetih godina prošlog veka. Naime, prva primena digitalne obrade slike bila je za kodovanje slika koje su prenošene kablovskom vezom preko Atlantskog okeana i rekonstruisane na prijemnoj strani. Uvođenjem elementarnih tehnika digitalne obrade slike znatno je skraćen proces prenosa slike i popravljen kvalitet. Mada je u kasnijem periodu došlo do znatnog napretka u tehnikama prenosa i rekonstrukcije slike, tek je sa usavršavanjem računarske opreme i
-1-
početkom istraživanja svemira došlo do naglog razvoja digitalne obrade slike. Naime, 1964. god. digitalni ra čunar je prvi put iskorišćen za popravku kvaliteta slika Meseca dobijenih sa svemirske sonde “Ranger 7”. Posle toga, digitalna obrada slike je postala nezaobilazan deo obrade podataka sa raznih satelita i sondi za istraživanje svemira. Zbog toga je digitalna obrada slike godinama bila sinonim za veoma skupu i visoku tehnologiju i kao takva dostupna samo malom broju istraživačkih laboratorija u svetu.
1.2. Primena Sa naglim razvojem elektronike i računarske tehnike, a posebno mikroprocesora i integrisanih digitalnih procesora signala, digitalna obrada slike počela je da prodire i u mnoge druge oblasti, gde ranije nije mogla biti koriš ćena zbog visoke cene. Tako se, na primer, digitalna obrada slike intenzivno koristi u medicini za obradu i popravku kvaliteta rendgenskih i ultrazvu čnih slika, za trodimenzionalnu rekonstrukciju organa u tomografiji i nuklearnoj magnetskoj rezonansi, itd. Druge važne primene digitalna obrada slike je našla u fizici, astronomiji, biologiji, kriminalistici, metalurgiji, geologiji, pa čak i u arheologiji i rekonstrukciji umetničkih dela itd.
-2-
2. DIGITALNA SLIKA Konvencionalna radiografija se temelji na interakciji rendgenskog zračenja sa elektronima u emulziji radiografskog filma koja dovodi do stvaranja latentne slike, a naknadnom fotohemijskom obradom filma dobijamo kona čni radiogram. Stoga radiografski film služi kao medij za prikupljanje, prikazivanje i pohranjivanje informacije dobijene prolaskom X zračenja kroz telo. Tako dobijene slike su analogne, okarakterisane kontinuiranim nijansama sive boje (između dvaju ekstrema, bele i crne) na prelazu izme đu pojedinih segmenata filma. Svaka siva nijansa ima optički denzitet određen propustljivošću za vidljivu svetlost kojom obasjavamo film. Načelno film još uvek ima bolju rezoluciju od digitalnih sistema iako razvoj digitalne tehnologije dovodi do stalnog poboljšanja karateristika. Digitalna radiografija je rezultat interakcije X zračenja sa elektronima unutar elektronskih senzora koji su razmešteni u pikselima. Nakon dobijanja digitalne slike, potrebna je analogna reprodukcija da bismo je mogli videti i analizirati. U slu čaju kompjuterske analize (primer CAD – computer aided detection or diagnosis) informacija se obrađuje direktno, bez neophodnog stvaranja slike na izlazu. Pet su od ključne prednosti digitalnih sistema nad analognim, budući da se svaki korak može nezavisno prilagođavati, a to su: - prikupljanje - acquire - obradba - process - prikazivanje - reproduce - pohranjivanje - store - distribucija - distribute
-3-
2.1. Digitalizacija slike
Suština digitalizcije je prevođenje analognog u digitalni signal, i obratno, što dovodi do delimičnog gubitka kvaliteta slike. Analogna informacija sadrži kontinuirane variacije u toku vremena, dok je digitalna informacija sastavljena od niza pojedinačnih tačno određenih vrednosti.
Piksel - Digitalni impuls koji je obra đen od strane računara (procesora za obradu slike) biva analiziran i pretvoren u sliku na monitoru. Digitalizacija slike je pretvaranje crteža u brojeve. Ako pogledate digitalnu sliku sa lupom, vide ćete da je sastavljena od malih sivih kvadrata ili ćelija poređanih u pravougaoni ili kvadtratni -4-
red (matricu). Te ćelije se zovu “pixels”, skraćenica od “Picture Element”. Plkseli su najmanje jedinice u slici, i njihova veli čina u medicinskoj primeni, mora biti razmere koja najbolje prikazuje detalje. Svaki piksel ima svoju odre đenu lokaciju, prostornu adresu na kojoj se nalazi, kao i svoju numeričku vrednost koja može biti transformisana u određeni stepen osvetljenja na ekranu. Slika je dok je u digitalnom obliku sastavljena od dva niza brojeva od kojih jedan predstavlja adrese, a drugi numeričke vrednosti piksela. Svaki piksel je zapravo slika odgovarajuće male zapremine tela - voxel. Svaki nivo sive skale je prikazan integralnim brojem, gde najmanji broj prikazuje crnu boju, najveći broj predstavlja belu boju, a brojevi izme đu predstavljaju senke sive boje. Svi ovi integralni brojevi su ra čunarski obrađeni i sačuvani u vidu binarnog niza brojeva (01000101). Prema tome, digitalna slika je sastavljena od binarnih brojeva, gde svaki broj predstavlja određeni denzitet piksela na slici.
Koliko numeričkih vrednosti pikseli mogu imati, zavisi od broja bitova po pikselu. 8-bitni daju mogućnosti za 256 različitih brojčanih vrednosti piksela tj. nijanse sive skale, 10-bitni daju 1024, a 12-bitni daju 4096 nijansi. Pre nastavka ove diskusije, moraćemo da bliže odredimo termine “bits”, “bytes” i “kilobytes”, koji se koriste prilikom opisivanja karakteristika digitalne slike. “Bit” je binarni broj “binary digit”, a binarni sistem koristi samo dva binarna broja (bits), 0 i 1, kao što naš decimalni istem koristi brojeve od 0 do 9.
-5-
Standardna slika u medicinskoj primeni zahteva od 10 do 12 bitova po pikselu; 10-bitna slika sadrži 1024 različitih nivoa sive boje, dok 12-bitna slika ima 4096 različitih nivoa sive. Umesto pri čanja o bitovima, češće se priča o bajtu što je jednako 8 bitova. Verovatno ste čuli termin kilobajt i logi čno ali pogrešno zaključujete da je to 1000 bajtova, ustvari kilobajt (skraćeno “kbyte”) predstavlja 1024 bita. Najčešće se za termine digitalne memorije koristi megabajt (megabyte) = 1024 kbytes; 1 gigabyte (Gbyte) = 1024 Mbytes.
Odnos veličine piksela i oštrine slike Oštrina slike je obrnuto srazmerna veličini piksela matrice, kao što se vidi na slici, što su pikseli veći oštrina je manja, i obrnuto. Primer: slika od jednog velikog piksela imala bi samo jednu nijansu sive boje.
-6-
Uticaj veličine matriksa na velicinu piksela i na oštrinu Povećanje veličine matriksa, primer 1024 x 2048, proizvešće manje piksele. To će generalno redukovati zamućenost i poboljšati detalje slike.
2.2. Detektorski sistemi Tokom posljednih dvadesetak godina intenzivno se tražila zamena za radiološki film. Za zamenu radiološkog filma kao medija za dobijanje slike u radiografiji postoji više razloga. Navedimo samo neke: nepraktičnost u rukovanju (velike i nefunkcionalne arhive), podložnost raznim oštećenjima, nemogućnost naknadne obrade slike (post-processing), ponavljanje snimanja i veća izloženost zračenju pacijenata, kao i sama cena filma i zaga đenje životne sredine hemikalijama za razvijanje. Zbog svih navedenih razloga razvoj medija za dobijanje radioloških slika krenuo je pravcu medija na kojem se može višestruko dobiti radiološka slika a od kojih se danas u upotrebi koriste kasete sa fosfornim pločama i flat detektori. CR – kompjuteriziovana radiografija (eng. Computed Radiography) je u svetu prihvaćen naziv za rad sa kasetama sa fosfornim pločama. Isto tako koristi se naziv. DR – digitalna radiografija (eng. Digital Radiography) je u svetu prihvaćen naziv za rad sa uređajima u koje su ugrađene FD - ravne detektorske ploče formata 35x43 cm (eng. Digital Flat Panel Detector).
-7-
2.2.1. CR – Kompjuterizovana radiografija Kompjuterizovana radiografija koristi detektor x zračenja koji pohranjuje u dobijenu energiju rtg. zračenja pomoću luminiscentnog sloja koji zarobljava elektrone u pojedinim delovima materijala (dolazi do ekscitacije). Distribucija zarobljenih elektrona čini latentnu sliku. Sledi deekscitacija pokretnim laserskim zrakom koja stimulise luminiscentnu ploču tačku po tačku i oslobađa elektrone iz njihovih zamki. Dolazi do deekscitacije energije u obliku svetlosti koja se detektuje
fotodetektorom i pretvara u električni signal. Za takav oblik indirektne digitalne radiografije usvojen je naziv CR (computed radiography). Kasete sa ovim detektorskim plocama – vrlo su slicne kasetama u koje ulažemo klasični radiološki film. Umesto filma kod ovih kaseta koristimo plo če luminiscentne folije koje zadržavaju latentnu sliku nastalu zra čenjem. Za očitavanje latentne slike koristimo posebne uređaje, tzv. digitalizatore. Detektorska luminiscentna ploča – Sastoji se od nekoliko slojeva. Podloga je čvrsta ploča na kojoj je nanesen luminiscentni sloj. Iznad tog sloja nalazi se zaštitni sloj koji služi za zaštitu od mehani čkih oštećenja prilikom očitavanja latentne slike u digitalizatoru. Ispod podloge – nosa ča nalazi se barkod koji služi za prepoznavanje vrste i veličine kasete.
-8-
Kod upotreba kaseta sa luminscentnim pločama koristimo se istim formatima kaseta kao i kod snimanja sa klasi čnim radiološkim filmom. Njena prednost je što se lako uklapa u već postojeću aparaturu, način rada i sve standarde. U mnogo čemu je SP (storage phosphor) sistem sličan je fluorescentnim pojačivačkim folijama. U oba sistema luminiscentni sloj predstavlja primarni apsorber rendgenskog zračenja koji emituje vidljivu svetlost kod izlaganja X zračenju Na mikroskopskom nivou, struktura SP sloja je u obe tehnologije sli čna jer se radi o malim granulama luminiscentog materijala utisnutog u vezivni materijal. Takođe, SP sloj je moguće u oba (CR i S/F=screen film) sistema ponovno upotrebiti na hiljade puta. Nezgodna strana je što se kaseta nosi na očitavanje i što zahteva vreme, tek nešto kraće od dosadašnje obrade filma. Drugo, ovaj sistem je tek dostigao osetljivost klasične film/folija radiografije, a ispod je one koju imaju sistemi za digitalnu radiografiju. Iako se sve više potiskuje ovaj sistem ostaje neophodan za snimanja sa “slobodnom kasetom”: snimanje bez rešetke, sa vertikalno kasetom, snimanje u bolesničkom krevetu.
2.2.2. DR – Digitalna radiografija Kod digitalne radiografije, princip rada bazira se na direktnom očitavanju detektora, bez umetanja optičkog skeniranja, tj. kompletan detektorski sistem je ispod radiografskog stola. Odmah se dobija slika na monitoru i mogu ća je provera kvaliteta dok je pacijent još u prostoriji za snimanje. Svi podaci o pacijentu i uslovima snimanja idu odmah uz sliku, a kasnije se mogu i odštampati. Prednost DR u odnosu na CR je u osetljivosti sistema i u kvalitetu slike. Postoje tri nezavisne digitalne tehnologije, sve su sa direktnim o čitavanjem (nema nošenja kasete u čitač), ali kod njih razlikujemo direktnu i indirektnu konverziju.
-9-
Detektorski sistemi mogu biti sa direktnom konverzijom, kad na rentgen zračenje odmah reaguju stvaranjem električnog signala, ili sa indirektnom konverzijom, kad prvo daju svetlosni pa preko fotodetektora i električni signal. Detektori sa direktnom konverzijom poseduju fotokonduktor, kao što je amorfni selenijum, koji direktno konvertuje X fotone u elektri čni impuls. Detektori sa indirektnom konverzijom, imaju dva procesa u detekciji zra čenja. U ovom slu čaju scintilator je primarni materijal sa kojim intereaguje zra čni snop. Kada snop pogodi scintilacioni materijal, energija X – zraka se konvertuje u vidljivu svetlost, zatim se svetlost konvertuje u elektricni impuls putem fotodetektora (amorfni silikon) ili CCDs.
DR tehnologija temeljena na CCD – (charge coupled device) indirektni. Gadolinijum oksisulfid/ sočiva ili fiber optika/ CCD –. Nalazi se u kamerama za video i digitalnu fotografiju. Princip je pretvaranje izlazne svetlosti sa fluorescentnog sloja u sliku. Problem je u razli čitoj veličini fosfornog panela (35x43 cm za opstu radiologiju) i aktivne površine komercijalnih CCD (5x5 cm). Zbog toga se fluorescentna slika mora podesiti ogledalima, ili fiberopti čkim elementima aktivnoj površini CCD, što opet jako umanjuje efikasnost prikupljanja. Tu naravno dolazi do gubitaka, kao i rasipanja, što uti če na zračnu dozu i kvalitet slike. Kod mamografije je taj odnos veličine povoljniji. Usprkos slabijoj efikasnosti prikupljanja izlazne svetlosti, CCD tehnologija ipak omogućava dobijanje brze i klinički vredne informacije za radiologa. U grafiji nju su ve ć potisnuli flat – panel detektori. Koristi
- 10 -
se u skopiji kao priključak na PES, ali i tu po činju da se koriste flat – panel detektori. Flatpanel detektori Tehnologija amorfnog silicijuma se ubrzano razvijala posljednjih decenija uz velika ulaganja. Većina laptopova i desktopova u upotrebi širom sveta koristi aktivnomatrične ekrane (active matrix liquid christal displays, AMLCDs) na bazi tečnih kristala, odnosno aSi tehnologije. Smanjenjem cene omogu ćen je razvoj vrlo velikih površina, danas već 1-1.5m. Mnogo manji sistemi za medicinsku primjenu su nastali zahvaljujući toj skupoj tehnologiji. Flat panel detektori (detektorske ploče) mogu biti sa direktnom i indirektnom konverzijom Kod obe vrste se stvara električni naboj tokom ekspozicije, koji biva o čitan od strane poluprovodničke elektronike, a zatim poslat na poja čivač, pa na analogno digitalni pretvara č (konvertor). Najniži sloj tzv. očitavajuća elektronika, sastavljena je od niza poluprovodničkih elemenata (TFT, tin film transistors). Iznad je sloj koji funkcioniše na principu kondenzatora, tj. zadatak je da sakuplja električni naboj nastao prilikom ekspozicije. Još jedan sloj iznad, zavisno od tipa detektora ili samo sloj osetljiv na X zrake, ili, kod indirektnih, sloj osetljiv na svetlost. Sve je zatvoreno u formi ploče i kablom povezano sa kompjuterom.
- 11 -
Flat panel – direktni Rendgen zraci padaju na sloj amorfnog selena, kroz koji se pre ekspozicije, uz pomoć jedne elektrode smeštene po vrhu sloja, uspostavi električno polje. Apsorbovani X zraci izazivaju jonizaciju, a stvoreni elektri čni naboj, prateći linije sila elektičnog polja, biva skladišten u elektrodama povezanim sa kondenzatorima. Ispod se nalazi očitavajuća elektronika. Selenska ploča je električnim poljem vrlo efikasno “izdeljena” na veliki broj zasebnih detektora. Sav stvoreni električni naboj biva prikupljen elektrodama, bez gubitka.
- 12 -
Flat panel – Indirektni Ovde detekcija se odvija u 2 faze. U prvom sloju detektora nalazi se flurescentni sloj koji transformiše apsorbovanu energiju X – zaračenja u svetlost, a onda svetlost, u sloju sastavljenom od niza fotodioda, izaziva stvaranje elektri čnog naboja. Taj električni naboj se očitava u najnižem TFT sloju. Flurescentni sloj može biti od materijala koji se koristio kod flurescentnih folija (najčešće gadolinijum oksisulfid) ili od kristala cezijum jodida. Cezijum jodid zbog specifične kristalne strukture je mnogo bolji – apsorbuje više X zra čenja i manje je rasipanje svetlosti unutar sloja, ali je higroskopan i brzo se ošte ćuje ako nije hermetički zapečaćen.
- 13 -
3. DIGITALNA OBRADA SLIKE Kod metoda za obradu slike osnovni cilj je da se promene neke karakteristike slike tako da ona bude pogodnija za prikaz na monitoru ili za dalju analizu. U principu se obradom ne popravlja informacioni sadržaj slike, ve ć se olakšava korišćenje postojećih informacija. Metodi za obradu slike su brojni, jer mnogo zavise od uslova pod kojima je slika dobijena. Najčešći metodi za poboljšanje slike su poboljšanje kontrasta, eliminacija šuma, izoštravanje slike, bojenje slike, itd.
3.1. Fourierova transformacija Srž digitalne obrade slike je u transformaciji podataka u korisne informacije, putem matematičkih algoritama. Primarni matemati čki metod koji se koristi u obradi slike je Fourierova transformacija. Fourijerovom metodom se postiže transformacija složenih funkcija u odvojene i jednostavne funkcije (primer: muzika se pretvara u funkciju variraju ćih amplituda, frekfenciju i vremensku fazu). Kod digitalne obrade slike, Fourijerova transformacija se koristi da bi se na odre đenim lokacijama slike prikazali različiti intenziteti podataka. Informacija primljena od procesora za obradu slike, može se obraditi putem različitih matematičkih formula. Fourijerov algoritam je najzna čajniji formula koja se koristi u rekonstrukcij slike. Njom se transformišu amplitude i vremenski domen u područ je frekvencije.
Fourierova transformacija, grafikon prikazuje promenu prvobitne forme talasa pomo ću nekoliko dodataka.
- 14 -
3.2. Konvolucija i dekonvolucija Ponekad je korisno modifikovati vrednost svakog piksela da bi se poboljšale vizuelne karakteristike slike. Ovaj proces je ustvari matematičko filtriranje. Konvolucija (savijanje) je proces modifikacije vrednosti piksela matematičkom formulom. Ponekad se taj proces naziva maskiranje, zato što set matematičkih operacija zamenjuje svaki piksel, tj. menja njegihovu vrednost. Ceo proces predstavlja maskiranje svih podataka piksela i prikaz modifikovane slike. Dekonvolucija je proces vraćanja vrednosti piksela na njihov prvobitni nivo pomoću obrnutog procesa.
3.3 Korekcija neadekvatne ekspozicije Prilikom korišćenja klasičnog radiološkog filma za dobijanje kvalitetne slike bitni su parametri ekspozicije, kao što su kV, mA i vreme (mAs). Tako snimljene slike mogu biti nedovoljno eksponirane ili prekomerno eksponirana pa nisu upotrebljive za čitanje i postavljanje dijagnoze. U konvencionalnoj radiografiji poželjno je da je područ je od dijagnostičkog interesa unutar srednjeg dela karakteristične krive, jer se najveće razlike u zacrnjenju filma postižu primenom expozicije upravo u tom delu krivulje. Kod digitalne radiografije nema karakteristične krive niti zone poželjne expozicije. Koliku god dozu dajemo imamo konstantan kontrast. Procesor za digitalnu obradu slike može da nam prikaže sliku po karakterističnoj krivoj ili po digitalnom garfikonu (prava linija). Koristi se najmanja mogu ća doza , a kontrast je optimalan. Na taj način smo izbegli ponavljanje snimaka i zaštitili pacijenta od nepotrebnog zračanja uz optimalni kvalitet slike.
- 15 -
- 16 -
3.4 Kvalitet digitalne slike Kvalitet podataka dobijenih od digitalnog receptora slike je meren njegovom: frekvencijom kontrastom vidljivošću detalja (oštrinom) šumom
3.4.1. Frekvencija Pod frekvencijom se podrazumevaju sirovi podaci (raw data) na koji je primenjena Fourijerova transformacija da bi se stvorila digitalna slika. Od frekvencije zavisi kontrast unutar slike. Slika sa visokim kontrastom poseduje visoku frekvenciju i obratno.
3.4.2. Kontrast Kvalitet medicinske slike određuje metod kojim se slika stvara, karakteristike opreme, kao i varijable u stvaranju slike koje bira operater. Kvalitet slike nije samostalan faktor već je sastavljen od par faktora: kontrast, jasnoća (blur), šum (noise) i distorzija. Zadatak svakog sistema za stvaranje slike je da prevede specifične karakteristike tkiva u sliku sa sivim tonovima ili u boji. Ako je kontrast adekvatan, objekat će biti vidljiv. Stepen kontrasta na slici zavisi kako od posmatranog objekta tako od sistema za stvaranje slike.
- 17 -
Kontrast slike - je razlika u denziditetima među susednim površinama (pikselima). Kontrast znači različitost. Kontrast kod digitalne radiografije je ujednačen i nezavisi od ekspozicione doze. Kontrast je slabiji nego na filmu, upravo zbog šireg opsega ekspozicionih doza koje može prikazati. Objekat u telu će biti vidljiv na slici samo ako ima dovoljno fizi čkog kontrasta u odnosu na okolno tkivo. Prirodni kontrast postoji među tkivima koja se razlikuju po apsorbciji, a apsorbcija zavisi od: 1. debljine materije kroz koju prolazi zračenje 2. rednog broja elementa 3. gustine materije kroz koju prolazi zračenje 4. talasne dužine samih fotona
Kontrast se može naknadnom obradom pojačati: LUT – Look Up Table način za poboljšanje kontrasta predstavlja digitalnu obradu piksela, tako što im se dodaju nove numeri čke vrednosti, nekima se smanje, a drugima povećaju, razlika među tim vrednostima postaje veća, a samima tim, po definiciji, i kontrast. Tada linija gradacije poprimi izgled krive kakav je kod filma, pri čemu kompjuter može da joj menja nagib, kao i opseg. Look up tables (LUT) su podaci storirani u kompjuteru koji se koriste da zamene nove vrednosti za svaki piksel za vreme obrade.
- 18 -
A
B
A – ukoliko se pri obradi ne menja vrednost piksela linija gradacije ostaje ista ka o i kontrast. B – ukoliko se pikselima dodele nove vrednosti menja se kriva kao i kontrast, a i opseg. Digital Image Windowing – Denzitet i kontrast digitalne slike mogu se menjati promenom numeričkih vrednostima za svaki piksel. Fiziološki ljudsko oko može prepoznati oko 32 tona sive skale, dok digitalni receptori mogu prepoznati preko 1000, tako da je broj registrovanih nijansi mnogo veći nego što ih čovek vidi. Što znači da slika daje samo mali deo podataka koje kompjuter sadrži. Svaka slika je samo “prozor” u celokupnom spektru podataka. Metodom prozora možemo da biramo koji deo od ukupnih informacija želimo da prikažemo. Računar može jednostavno promeniti nivo i širinu prozora pomoću matematičke rekalkulacije. Primera radi, na snimku plu ća i srca, možemo da koristimo “donji prozor” za priakaz medijastinuma i mekih tkiva (manji denzitet) ili “gornji prozor” kad se bolje prikazuju plućna polja.
- 19 -
Prozor je raspon CT brojeva koji će biti prikazani različitim nijansama sive, poređanih od crne do bele.Tkivo unutar prozora imaće različite nijanse sive i ima će vidljiv kontarast. Svo tkivo i materijali koji imaju CT brojeve iznad prozora bi će skroz beli i neće imati kontrast unutar ovog raspona. Svi oni koji imaju CT brojeve ispod prozora biće skroz crni i bez kontrasta. Sposobnost prozora je da da CT-u veoma veliku kontrastnu osetljivost. To je zbog toga što prozor može biti namešten da prikaže i učini vidljivim veoma male razlike u denziditetu tkiva. Nivo prozora (windov level) – Pošto računar može prikazati veliki spektar vrednosti, on može da “vidi” denziditet slike daleko ispod i iznad vidljivosti čovečijeg oka. Jedna od najvažnijih vrednosti digitalne obrade slike je mogu ćnost računara da matematički prikaže različitost denziditeta u vizualnom spektru od ekstremno niskih ulaznih doza koje bi proizvele denziditete ispod normalnog spektra vidljivosti. Nivo prozora kontroliše denzitet slike. Mora biti prilagođen na određeni nivo da bi prikazao dijagnostički relevantne informacije. Širina prozora (window width) – Računar može proširiti ili kompresovati denzitet slike da bi je sveo na spektar ljudske vidljivosti. Promene širine prozora ponekad se nazivaju siva skala ekspanzije ili kompresije (gray scale expansion or compression). Širina prozora kontroliše kontrast slike. Kada je širina prozora povećana kontrast slike se smanjuje. Ekstremna širina prozorske širine zahteva od računara da ignoriše fine razlike u kontrastu da bi mogao da prikaže čitav spektar podataka. Ekstremno uska širina prozora zahteva od računara da ignoriše veliku količinu podataka van izabranog spektra. Iz ovog razloga za širinu prozora se može reći da kontroliše vidljivost detalja.
- 20 -
3.4.3. Pojačavanje vidljivosti detalja
the Blurred Mask Subtraction Process
The Blurred Mask Subtraction je često korišćeno, posebno u digitalnoj radiografiji, kako bi se poja čala vidljivost detalja u određenim kliničkim procedurama. Važna napomena, ovaj proces ne razbistruje sliku i ne otkriva detalje koji su bili potpuno izgubljeni. Ono što radi je pove ćanje vidljivosti (kontrasta) nekih objekata, posebno tamo gde je vidljivost objekata do izvesnog stepena ograničena velikom kontrasnom oblasti kao kod snimanja grudnog koša. Proces se sastoji oz dva različita koraka. Prvo, pravi se zamućena (zamagljena) kopija originalne slike. Uobičajeni način digitalne obrade koji se može koristiti da bi se dobila zamagljena slika, je jednostavno zamenjivanje svake vrednosti piksela sa prosečnom vrednošću iz njegove okoline. Ovim se dobija "blurred mask" slika. Zamagljivanje uklanja sve detalje sa slike. Sada imamo dve slike. Originalna slika sadrži veliku kontrasnu pozadinu sa još nekim detaljima. Zamagljena mask image sadrži samo veliku kontrasnu pozadinu. Poslednji korak je kada kompijuter oduzima “blurred mask” sliku od orginalne slike. Ovaj proces redukuje velike oblasti pozadinskog kontrasta, a ostavlja kontrast detalja. Rezultat je povećana vidljivost i kontrast detalja.
- 21 -
DSA – digitalna subtrakciska angiografija Postoje dva osnovna sistema DSA: priključni i integralni sistem. Priklju čn i sistem je tako građen da preuzima televizijski signal sa elektronskog pojačala PES-a i TV kamere i prevodi ga digitalnom obliku. Danas je ova tehnologija DSA uređaja napuštena usprkos široke primene u prošlosti zbog lošeg odnosa signala i šuma, signaltonoise ratio (SNR). Da bi se dobila kvalitetna slika kod ovih uređaja potrebno je spojiti nekoliko pojedinačnih slika (frame ). Integrisani sistem se sastoji od rendgenskog uređaja i detektora za dobijanje slike, koji čine jedinstvenu celinu. Ovaj sistem je danas u širokoj primeni i omogućava visok kvalitet slike. Za digitalne angiografske ure đaje jedna od najvažnijih opcija je subtrakcija slike, odnosno brisanje gotovo svih struktura osim kontrastno ispunjenih krvnih sudova. Postoje tri načina subtrakcija: 1. Temporalna ili vremenska subtrakcija koristi se principom preklapanja slika («frame») u različitim vremenskim intervalima, odnosno preklapanjem nativno učinjenog snimka, koji se naziva maska, s postkontrastnom. Kod preklapanja dolazi do brisanja svih identičnih struktura na obe slike, a zaostaju, odnosno ne brišu, se strukture koje se vide samo na jednoj slici. Na ovaj na čin u potpunosti je izbrisan skelet, ali i druge identične strukture, dok zaostaju i ne brišu se kontrastno obojene krvne žile. Problem ove subtrakcijske tehnike je da zaostaju i svetline gasnog sadržaja iz creva (kod neadekvatne pripreme), koje tokom pregleda menjaju oblik i položaj te mogu smetati u analizi. 2. Energetska subtrakcija (dual energy) je subtrakcija upotrebom visokih i niskih energija rentgenskih zraka. Ovo je od posebnog značaja za strukture koje se pomeraju zbog mogućnosti njihovog brisanja. Nezgoda ove subtrakcije je brisanje ili mekih tkiva ili kostiju uz nemogu ćnost brisanja i jedne i druge strukture. 3. Hibridna subtrakcija koristi deo principa vezanih uz energetsku subtrakciju, a deo temporalne. Pre apliciranja kontrastnog sredstva primenjuje se energetska subtrakcija , čime se poništavaju mekotkivne strukture. Kratki vremenski intervali između ove dve faze omogućavaju i brisanje vazduha iz crevnih vijuga, tako da sada imamo sliku sa kostima. Potom se aplikuje kontrast te se primeni vremenska subtrakcija kod koje masku čini prethodno dobijena slika energetskom subtrakcijom. Rezultat
- 22 -
ove procedure je brisanje i koštanih struktura tako da se prikazuju samo krvni sudovi ispunjeni kontrastom.
3.4.4. Šum Još jedna karakteristika svih medicinskih slika je šum. Šum slike, daje slici hrapav ili granulast izgled. Izvor i koli čina šuma slike zavisi od metode kojom se dobija. Opšta posledica povećanja šuma slike je smanjenje vidljivosti objekta. U većini situacija medicinskih snimanja efekat šuma ima najve ći uticaj na niskokontrasne objekte koji su već blizu praga vidljivosti. Šum slike je slu čajna pozadinska informacija (smetnja) koja je detektovana, ali ne doprinosi kvalitetu slike. On se podudara sa audio šumom, kao što je stati čni “beli šum” koji se čuje između frekfencija radiostanica. Beli šum se vizualizuje kao sneg između televiziskih stanica. Mera za šum je S/N (signal to noise ratio). Visok S/N ukazuje na mali šum u slici. Komponenta sa najve ćom primenom šuma u digitalnom sistemu je TV kamera. Sistemi za komercijalnu upotrebu imaju S/N 200, a sistemi sa visokom rezolucijom koji se koriste u digitalnoj radiografiji imaju S/N izme đu 500 i 1000. Efekt nivoa šuma na digitalnoj slici može se porediti sa efektom zamagljenosti na rtg snimku. Šum slike je obrnuto srazmeran kontrastu, povećanje šuma dovodi do smanjenja kontrasta na slici.
- 23 -
3.6. Histogram
Vertikalna osa predstavlja koli či nu piksela, a horizontalna osa vrednost piksela
Tokom digitalne obrade slike stvoren je histogram od dobijenih podataka, koji dozvoljava da digitalni sistem na đe koristan signal, nalaženjem minimalnog i maximalnog signala unutar anatomske regije od interesa. Da bi stvorio histogram skenirani deo je podeljen na piksele i intenzitet signala za svaki piksel je odre đen.
Tipi č an primer histograma plu ća sa razli či tim anatomskim regijama.
- 24 -
Računarski sistem je programiram za svaki deo tela ponaosob, time što poseduje histogram, koji se upoređuje sa dobijenim histogramom sa detektora. Time se eliminišu nepotrebne informacije. Na taj na čin se ispravljaju greške ekspozicije.
Grafikon levo pokazuje kako kompjuter analizira grudni histogram, zatim prikazuje regije od interesa van plu ća .
Grafikon desno prikazuje, kako veli č ina polja uti če na histogram. Na donjoj slici ramena prikazana je i na promenu položaja ki č ma, sto uti če
regije od interesa na hiostogramu.
- 25 -
3.7. Trodimenzinalna slika Forma slike koja se sve više koristi (npr. u planiranju preoperativne neuro facijalne i ortopedske hirurgije) je trodimenzionalna prikaz površina organa i kostiju. Nastanak slike je vrlo kompleksan i vezan je za prepoznavanje granica tkiva, tj. kompjuter detektuje granicu između tkiva (npr. kosti i meko tkivo) u svakom preseku gde apsorbovani X – zarci naglo slabe i crtaju liniju konture objekta. Suština 3D nastanka slike je u slaganju voksela određenog denziteta, čija je vrednost određena linearnim slabljenjem koeficijenta tkiva u odgovaraju ćem volumenu tela. Jedna od prednosti 3D slike, je u tome što se vrednosti voksela mogu menjati, tako da im se dodeli vrednost transparencije, u tom slu čaju npr. kod krvnih sudova mozga, kada se vokselima moždane mase (sive i bele) dodeli vrednost transparencije, vidljivost mozga se gubi, a na displeju ostaju prikazani krvni sudovi.
- 26 -
Prikaz medijastinuma i gornjg abdomena sa
Obrada slike u programu
koštanim strukturama
za uklanjanjne koštanih struktura
Iizdvajanje anatomske regije
Regija od interesa posle uklanjanja
koju želimo da prikažemo
koštanih struktura
- 27 -
4. KOMPRESIJA SLIKE Slika sadrži ogromnu količinu podataka. Jedna standardna digitalna slika rezolucije 512 × 512 piksela ima oko 256 000 elemenata. Ako se svaki piksel predstavi sa 8 bita, za predstavljanje takve slike potrebno je 256 kB. Prenos ovako velikih količina podataka telekomunikacionim kanalima predstavlja ozbiljan problem. Slični su problemi ako sliku ili video signal treba zapamtiti na nekom memorijskom medijumu. Da bi prenos i skladištenje slika bio tehnički moguć i ekonomski isplativ, potrebno je primeniti neke tehnike kompresije , kojima se smanjuje broj bita potreban za reprezentaciju slike. S obzirom na značaj i potrebu za kompresijom podataka u slici, razvijen je veliki broj metoda kompresije. Jedna grupa metoda kompresije redukuje broj bita za reprezentaciju slike bez ikakvog gubitka informacija. Druga grupa metoda kompresije vrši kompresiju uz gubitak beznačajne količina informacija. Naravno, stepen kompresije ove druge grupe metoda znatno je veći. Kompresija slike predstavlja proces redukovanja numeričke veličine digitalne slike.Postoje mnoge matematičke metode kojima se vrši kompresija. Lossless - Kompresija bez gubitka je kada nema gubitka kvaliteta slike, i koristi se u mnogim medicinskim aplikacijama. Veličina kompresovane slike se smanjuje dva puta. Lossee – pri ovom načinu kompresije postoje izvesni gubici kvaliteta slike i mora se pažljivo koristiti za dijagnosti čke slike. Veličina kompresovane slike se smanjuje za pedeset puta.
- 28 -
5. INFORMACIONE TEHNOLOGIJE (IT sistemi) •
Šta je PACS? Picture Archiving and Communications Systems (PACS)
PACS omogućava da se slike (snimci) kao što su rendgenografije ili skenovi mogu čuvati i skladištiti u elektronskom formatu i sagledavati na ekranu, tako da doktori i drugi profesionalci iz oblasti zaštite zdravlja mogu pristupiti informacijama i upoređivati ih sa drugim slikama jednim pritiskom na dugme.
•
Zašto je mreži bolničkih sistema (NHS network hospital sistem) poterban PACS?
U proteklih 100 godina film je bio gotovo jedini na čin (medijum) snimanja, skladištenja i prikazivanja radiografskih slika. Film je medijum bez ili sa malom mogućnosti promene sa obično jednim dostupnim kompletom slika. PACS tehnologija pomoću fleksibilnosti digitalnih sistema omogu ćava procese bez upotrebe filma. Takođe, ona oslobađa od troškova vezanih za filmove (materijal za izradu slika) kao i značajan prostor koji se trenutno koristi za magacioniranje.
5.1 PACS Transformacija podataka u korisne informacije Dramatično povećavanje imformacija i slika mora biti pretvoreno u korisne kliničke informacije, prema tome rešenje koje će biti efikasno za upravljanje, sortiranje , pregledanje tih slika postaje sa ekonomskog i klini čkog aspekta neophodno. Ova potreba objašnjava povećanu primenu PACS-a. Sada se sa PACS datotekom očekuje povećanje efikasnosti, koje će do 2012 godine bit za 75 – 80% od trenutne (odnosi se na ekonomski razvijene zemlje). - 29 -
Efikasnost novog digitalnog sistema Primer funkcionisanja PACS-a: 1. Kao prvo mora postojati bolnički informacioni sistem (HIS/RIS) koji treba povezati na PACS server. Program PACS servera omogućava mnoge funkcije, kao što su prenos, skladištenje, koriš ćenje korisnih informacija. 2. Kada nalog stigne u PACS server on će pomoću parametara za pretraživanje tražiti ranije podatke o pacijentu, i pridodati ranije radiološke pretrage (ako su storirane u storage serveru). Sada, lekar može da uzme sadašnje i ranije radiološke izveštaje i slike sa PACS servera kada se ime pacijenta pojavi na njegovoj radnoj listi. 3. Te radne liste trebaju biti unapred pripremljene od strane (HIS/RIS-a) i dostavljene relevantnim službama. 4. Primer: Pacijent stiže na CT glave, dobijeni podatci sa CT-a se prebacuju do PACS servera a posle toga do servera za skladištenje, a zatim do dijagnostičke radne stanice, radiolog očitava snimak uz pomoć različitih digitalnih programa, 3D alatom, kompjuterskom detekcijom dijagnoza. Potom on obeležava ključne detalje na slici i sa činjava dijagnostički izveštaj. 5. Obrađene slike se automatski prebacuju na PACS server a potom se prosleđuju na (HIS/RIS), zatim konačni povratni nalaz se vraća na PACS i odatle dolazi na arhivni skener gde se skladišti. Od tog momenta radiološki raport i slike su momentalno dostupni svom medicinskom osoblju u bolnici.
- 30 -
6. Sledeći korak je, ostvariti da ti podatci budu dostupni lekarima koji vode pacijente. PACS server može automatski kreirati e – mail koji bi sadržao izveštaj radiologa i ključne slike. 7. Ti lekari dobijaju sažetak obrađenih podataka, a ukoliko žele da dobiju više moraju da kliknu na funkciju (ceo sadržaj), ili (klju čne slike), da bi dobili detaljniji prikaz. 8. Sada lekar može automatski proučiti slučaj pomoću alata na naprednoj radiološkoj radnoj stanici. Ako on ima pitanja za radiologa on može prikačiti sliku nazad uz pripadajuće pitanje.
- 31 -
6. ZAKLJUČAK Pogled u budućnost Pogled u budućnost otkriva, elektronske zdravstvene kartone (podatke) gde su sve informacije digitalne, dostupne preko interneta (sa sigurnim (bezbednim) bežičnim pristupom) i koima efikasno mogu da se koriste zdravstveni radnici, osiguravajuće kompanije i pacijenti. Sutra će možda biti moguće da hirurzi u operacionim salama imaju videokonferencijsku vezu sa drugim specijalistima kako bi mogli da reše neočekivane probleme koji se mogu pojaviti tokom operacije. Kako bi se suzbijale medicinske greške, pacijenti će uskoro imati identifikacione narukvice sa bar kodovima, a moguća je i skora upotreba RFID narukvica sa fotografijom pacijenta.
- 32 -