Digitális képalkotás

6. Digitális képalkotás

Írta: Gyebnár János Norbert és Korom Csaba

 

6.1. Bevezetés

 
A radiológiai képalkotás során valamely fizikai mennyiség térbeli eloszlását látható képpé alakítjuk. Ez a fizikai mennyiség lehet a röntgensugár elnyelődése különböző szövetekben, az ultrahanghullám visszaverődése a szövethatárokról, vagy éppen a radioaktív izotópok eloszlása a szervezetben. Jelen fejezetben tényszerűen igyekszünk ismertetni a képalkotás fizikai tulajdonságait. A bonyolultabb matematikai leírásoktól a fejezet korlátozott terjedelme okán eltekintünk.

6.2. A képrögzítés fizikai háttere

 
A hagyományos röntgen és a CT képalkotása során röntgensugarak elnyelődését, a nukleáris medicinában a radioaktív bomlás során keletkező gammafotonok térbeli helyzetét határozzuk meg. Az ultrahangnál a transzducer által keltett mechanikus hullámok visszaverődését mérjük.
A radiológiai vizsgálat során minden modalitásban az elektromágneses spektrum egy meghatározott tartományát alkalmazzuk. Ebben az adott frekvenciasávban a jelforrás spektruma nem egyenletes, hanem a spektrumon belül kibocsájtott jelnek egy jellemző frekvencián maximuma van. Ilyen jellemző maximumok például a karakterisztikus röntgensugárzás spektrumának csúcsai, a radioaktív izotópok bomlásakor keletkező gammafotonok energiái, vagy az ultrahangos transzducerekben a piezzo-elektromos kristályok gerjesztési frekvenciája.

6.3. A sugárkép

 
A képalkotás során egy úgynevezett sugárkép keletkezik, mely az anyagon áthaladó sugárzás kétdimenziós profilja.
A sugárkép keletkezésének szakaszai:

1. A jelforrásból az elektromágneses hullámok a vizsgálandó tárgyra jutnak.
2. A sugárnyaláb minden vonala, az anyag összetételétől és a sugárzás útjában lévő úthossztól függően abszorbeálódik, ultrahangos képalkotás során pedig visszaverődik.
3. Az anyagból kilépő sugárzás intenzitásának kétdimenziós eloszlása, a sugárkép tartalmazza az információt.
4. A sugárképet valamilyen detektorral rögzíteni kell, hogy bármikor megtekinthető legyen

A sugárnyaláb abszorpcióját, vagyis intenzitásának csökkenését a sugárgyengítési törvénnyel írhatjuk a beeső sugárzás kezdeti intenzitása, x az elnyelő homogén anyag vastagsága, n az elnyelő anyagra jellemző elnyelési együttható. I(x) az anyagból kilépő sugárzás intenzitása. A radiológiában természetesen az elnyelő anyag, az emberi test, nem homogén szerkezetű, azonban az egyes szövetek vastagsága és elnyelési együtthatói segítségével a törvény alkalmazható inhomogén anyagra is. Itt egyszerűen a sugár útjába kerülő különböző anyagokra (bőr, csont, tüdőszövet) egymás után felírhatjuk a sugárgyengítési törvényeket oly módon, hogy az első homogén anyagból kilépő sugárzás lesz a második anyag bemenő sugárzása, és így tovább. Az utolsó elnyelő anyagból kilépő intenzitást detektáljuk, ennek térbeli eloszlása a sugárkép.
Ultrahangos képalkotás esetén a sugárkép nem az abszorbeált, hanem a reflektált hullámok intenzitásának térbeli eloszlása, ilyen módon a modell erre a modalitásra is jó közelítéssel alkalmazható.

6.4. A képalkotás minőségét befolyásoló tényezők

• A sugárzás karakterisztikája, geometriája (centrális projekció).
• A detektor tulajdonságai
  • A detektor karakterisztikája: Minden detektortípus különböző energiájú és hullámhosszú sugárzás detektálására a legérzékenyebb, így az adott rendszerbe mindig a legoptimálisabb detektort kell beépíteni, melynek érzékenysége a várható érzékelési tartományban, vagyis a spektrum maximális a legmagasabb.
  • A detektor érzékenysége: Minél érzékenyebb egy detektor, annál kisebb intenzitású sugárzást képes detektálni.
  • A detektor geometriai felbontása: Azon két legközelebbi pont, melyet a detektor még meg tud különböztetni.
• A képalkotó rendszer átviteli karakterisztikája, azaz a pontválasz függvénye szintén befolyásolja a képalkotás minőségét.

 

6.5. Képjellemzők:

A képeknek 3 fő jellemzője van: a kontraszt, a felbontás, és a zaj.
Kontraszt:
A radiográfiai kontraszt az egymás melletti intenzitások közti eltérés. Kontraszt = (I1 – I0)/I0, ahol I0 az általános sugarak intenzitása, I1 a vizsgált anyagon átjutott sugarak intenzitása.
A kontrasztot mindig a háttérre vonatkoztatjuk. Legkontrasztosabb a kép, ha az I0 a minimumon van, és I1 pedig a maximumon. Ez a magas kontraszt kellemes a szemnek, viszont az alacsony kontraszt több információt nyújt. Kb. 30%-os eltérés szükséges, hogy a különbség látható legyen.
Felbontás:
A felbontás a geometriai élesség, vagy pontosság mértéke a radiográfiás képen. Azt fejezi ki, hogy adott mm-en hány vonalat tud a képalkotó rendszer megkülönböztetni.
Zaj:
A zaj több eltérő frekvenciájú és intenzitású jel zavaró összessége. A képalkotás során zajt okozó tényezők:

• A sugárzás kölcsönhatása a vizsgálni kívánt objektummal: szóródás (Rayleigh és Compton szóródás), abszorpció, reflexió.
• Az elektromos zajok: Ezek, a hálózati feszültségből, és az alkatrészek gyártási tökéletlenségeiből adódnak, egy részük konstans zajt eredményez, más részük azonban a teljesítménnyel nő.

 
A jel/zaj arány (Signal to Noise Ratio, SNR) meghatározza, hogy a jel teljesítménye milyen viszonyban áll a zaj teljesítményével. A jelhez képest nagymértékű zaj, vagyis az alacsony jel-zaj arány a képek értékelhetőségét rontja. A technikában általában, így a radiológiai képalkotás során is a jel/zaj arány csökkentésére törekszünk. Ennek két lehetősége van, vagy a zajt csökkentjük, egyre tökéletesebb berendezések alkalmazásával, vagy a jelintenzitást növeljük. Például a hagyományos röntgennél a képalkotáshoz elengedhetetlen a röntgencső gyorsítófeszültségének helyes megválasztása. Alacsony feszültség esetén a keletkező kisebb intenzitású sugárzás elnyelődik a nagyobb denzitású anyagokban, és a kép is zajos, mivel a zajok egyes típusai (háttérzaj, elektromos zaj) függetlenek a jeltől, így alacsony lesz a jel/zaj arány. Túl magas gyorsítófeszültség esetén azonban a sugárzás gyakorlatilag egyformán kevéssé nyelődik el a különböző szövetekben, így a képen ezen struktúrák differenciálása lehetetlenné válik, és természetesen ez sugárvédelmi szempontból sem előnyös.

6.6. 1D és 2D képalkotás

 
A képalkotó rendszer a sugárképet érzékelő detektor, a feldolgozó elektronika és a megjelenítő együtteséből áll. Ha a rendszerrel egy elemi pontot képezünk le, akkor a rendszer kimenetén detektálható jel a pontválasz függvény. 1D-ban az elemi pontot az úgynevezett Dirac delta függvénnyel modellezhetjük. A Dirac delta, vagy másnéven egységimpulzus, olyan függvény, amely minden időpillanatban 0 értékű csak egyetlen időpillanatban nem, amikor is végtelen nagy értéket vesz fel. A Dirac deltával modellezett elemi pontra a rendszer válasza a kimeneten a pontválasz függvény.

Ideális esetben ez a válasz a bemenethez hasonlóan szintén egy Dirac delta függvény lenne a kimeneten. Sajnos azonban a valóságban nem beszélhetünk ideális, zajmentes rendszerről. A kimeneten megjelenő jel ezért inkább egy haranggörbére hasonlít. A pontválasz függvény a 2D képalkotásban is értelmezhető, itt a Dirac delta függvényre adott válasz a képen egy elmosódott foltként jelenik meg. Kiterjedt, nem pontszerű objektum leképezése során az objektumot leíró függvényt elemi pontok halmazaként foghatjuk fel, és a kép az egyes elemi pontokra adott pontválasz függvények összegeként áll elő.

Végső soron a kimenet, vagyis a kapott kép az objektum pontjaira adott pontválasz függvények összege, melyet a matematikában konvolúciós integrálnak nevezünk. Ez adja meg, hogy az objektum képét hogyan kapjuk meg a pontválasz függvény ismeretében. Mindebből az következik, hogy a kapott képen egy pont intenzitását nem csak az adott objektumpont határozza meg, hanem ezen pont környezetében lévő többi objektumpont képe is befolyásolja. Minden képalkotó rendszernek igen fontos megismerni a pontválasz függvényét, hogy az ebből adódó pontatlanságok kiküszöbölhetőek legyenek. A technológiai fejlesztések, képalkotó technikák tökéletesítése során arra kell törekedni, hogy a pontválasz függvény minél jobban közelítsen a pont képéhez, így az objektum képe is magához az objektumhoz, így a leképezés minél pontosabb legyen.

Minden sugárkép analóg. Ahhoz, hogy a képeket digitális formában jeleníthessük meg, és munkánkhoz használhassuk, azok digitalizálására van szükség. A digitalizálás során egy folytonos értékűnek tekintett analóg jelet alakítunk diszkrét értékűvé. Ez az értelmezési tartomány mintavételi intervallumokra bontásával, és az azokon belül felvett, előre meghatározott, véges számú értékekre történő átlagolásával érhető el.
A digitalizálásnak két formája ismeretes, a direkt digitalizálás, és az indirekt digitalizálás. Direkt digitalizálás során a beérkező jeleket, vagyis az információhordozó fizikai mennyiséget azonnal elektromos jelekké alakítjuk, és ilyen módon kerülnek tárolásra, feldolgozásra. Az indirekt digitalizásnál ezzel ellentétben először létrejön egy analóg kép, melyet utólagosan digitalizálunk. Indirekt digitalizálás a gyakorlatban manapság már csak hagyományos röntgeneknél használatos, ahol az elkészült röntgenfilmet scannelik be, de ezt a metódust is egyre jobban kiszorítja a direkt digitális technika.

6.7. A digitális kép

 
A digitális kép elemi egysége a pixel (Picture Element), vagy képpont. Ezek egy kétdimenziós négyzetrács, - más néven a képmátrix -, mentén elhelyezkedő négyzetlapokként foghatók fel, és méretüknél fogva általában pontszerűnek látszanak.

Minden képpont egy minta az eredeti képből. Minél sűrűbben veszünk mintát, annál több és kisebb képpontunk lesz, és annál pontosabb és nagyobb felbontású lesz a digitális kép.
A pixelek jellemzésére három adatot használunk. Kettő a képpont helyét adja meg a négyzetrácson, ez a képpont címzése. Ha a digitális képet egy koordinátarendszerként fogjuk fel, akkor a képpont címzése a az x és y koordináta.
Az adott képpontok, vagyis a minták csak előre meghatározott, diszkrét értékéket vehetnek fel. Ezt jelképezi a harmadik adat, ami a képpont információtartalma, színes képek esetén a színe, fekete-fehér képnél pedig a fényessége. Egy képpont színe csak egyféle lehet. A bitfelbontás vagy színmélység azt mutatja meg, hogy egy képpont maximálisan hány színt jeleníthet meg, vagyis a minta hány féle értéket vehet fel.. A nagyobb színmélység több színt, az eredeti kép pontosabb színvisszaadását teszi lehetővé, de egyben a képfájl méretét is növeli. A színmélységet általában bitekben mérjük. A bit informatikai alapegység, kettes számrendszerben egy helyiértéknek felel meg, értéke 0 vagy 1 lehet. (két bit esetén a lehetséges kombinációk: 00, 01, 10, 11, vagyis 22 azaz 4 kombináció lehetséges). Az 1 bit színmélységű képen két szín látható, a fekete és a fehér. A 8 bites felbontás 256 (28), a 16 bites felbontás 16384 (216) különböző szín megjelenítését teszi lehetővé. A radiológiai diagnosztikában általában szürkeárnyalatos (grayscale) felvételeket használunk, itt a színmélység azt jelöli, hogy a pixel hány különböző szürkeárnyalatot tud felvenni.

Palettán olyan árnyalati skálát értünk, amelynek elemeit egyértelműen hozzárendeljük a képpontok - pixelek értékeihez. Ezek a skálák lehetnek grafikai, matematikai, logikai vagy egyéb elven rendezett halmazok. Attól függően, hogy a pixelek hány értéket vehetnek fel (színmélység), a paletták nagysága változó, általában 10-12 bit adattartalommal rendelkeznek. Legelterjedtebb a szürkeskála (fehértől-feketéig, pl.: Hounsfield-skála - 4000 árnyalatot különböztet meg a -1000-3000).
A három dimenziós képalkotás elemi egysége a voxel (Volume Element), mely gyakorlatilag egy olyan téglatest, melynek oldalai pixelek. A voxel egy elemi térfogatban mérhető intenzitást, vagy színt jelképez. Természetesen a voxel is megcímezhető, de szemben a pixellel, itt a pontos címzéshez három koordinátára (x, y, z) van szükség, és hozzávéve az intenzitás értéket, a voxel pontos jellemzéséhez négy adat szükséges.
A fenti számadatok (a koordináták és a színmélység) pontosan jellemzik az adott felvételt. Az elkészült felvételek a számítógép monitorján jeleníthetők meg, és megfelelő szoftverrel elvégezhetjük a leletezést, és utólagosan képmanipulációs eljárásokat is alkalmazhatunk.

6.8. A digitális képalkotás előnyei

 
A digitális felvételek azonnal megtekinthetők, nincs szükség előhívásra. Az érzékelők a hagyományos filmnél nagyságrendekkel nagyobb expozíciós tartományban dolgoznak, ez lehetőséget nyújt az expozíció utólagos korrekciójára, alul-, vagy túlexponált felvételek esetén azokat nem kell megismételni, így a páciens sugárterhelése is csökken.
A felvételek megtekintésekor a számítógépen a leletező szoftver segítségével könnyűszerrel használhatók a különböző utófeldolgozási lehetőségek, a nagyítás, mérés, az ablakolás, a 3D rekonstrukció, stb. Az elkészült felvételeket digitálisan tárolhatjuk, amelyek egyszerre több munkaállomásról is megtekinthetők, az interneten vagy a kórházi hálózaton akár más osztályokra is elektronikusan átküldhetők, így könnyebbé válik a konzultáció. Minőségromlás nélkül végtelen számú másolat készíthető.
A képkészítés és a tárolás jelentősen kisebb költségigényű, valamint az archivált felvételek könnyen visszakereshetőek, bármikor azonnal rendelkezésre állnak.
Az előhívó vegyszerek és a filmek erősen környezetszennyezők, a digitális radiológiai laboratóriumban ezek mellőzhetők.

6.9. A digitális képalkotás hátrányai

 
A digitális radiológiában használt képalkotó berendezések, munkaállomások, leletező monitorok, szerverek, a hálózat kiépítése igen drágák, így egy új laboratórium felszerelése nagy beruházás igényű, mely csak hosszabb távon válik nyereségessé.
Az analóg technikától eltérő hibaforrásokkal kell számolni. Ilyenek az informatikából származó hibalehetőségek, pl. vírusvédelem, áramkimaradás, hálózati túlterhelés.
A képmanipulációs eljárások nagy szaktudást igényelnek, mert a rosszul manipulált képek akár pathológiás állapotokat is utánozhatnak.

6.10. Képmanipulációs eljárások (post-processing)

 
A digitális radiológiai vizsgálatok elkészülte után lehetőség van bizonyos paraméterek utólagos megváltoztatására. A kiértékelés fontos eszközei között találkozunk a hagyományos képszerkesztési lehetőségekkel:
invertálás: a kép színskálájának megfordítása.
nagyítás: a kép pixelméretének növelése a nagyobb kontraszt elérése érdekében.
vágás: a nagyméretű kép bizonyos elemeinek (képernyőről lelógó képrészletek) eltávolítása.
mozgatás: nagy képméretnél a kép bizonyos részeinek középpontba helyezésére szükség van.
forgatás: a könnyebb felismerhetőség érdekében a képinformáció reorientálása.
jegyzetek: alakzatok, méretek, szöveg rajzolhatók a képre a könnyebb érthetőség érdekében.
A legalapvetőbb és legfontosabb a kontraszt és a fényerő megváltoztatásának lehetősége. A radiográfiai kontraszt az egymás mellett ábrázolódó képpontok fényintenzitásai közti eltérés, és minél nagyobb ez az eltérés, annál élesebben különülnek el a képen a vizsgálandó struktúrák. Utólag a kép fényerejét is megváltoztathatjuk, így a kép túl világos vagy túl sötét részei is könnyebben láthatóvá, vizsgálhatóvá tehetők.
Mivel az emberi szem nem képes többezer árnyalatot megkülönböztetni, csak ~64 egymástól eltérő szürke színt, ezért a nagyobb kontraszt elérése érdekében a színmélység egy tartományát kihangsúlyozhatjuk. Ezt nevezzük ablakolásnak: a kiválasztott szakaszt újra felosztjuk az általunk alkalmazott palettával a kezdőponttól a végpontig. A szakasz hossza az ablak szélessége, az átlagos értéke pedig a centruma. Az ablakolás a fényerő és a kontraszt együttes megváltoztatásával változtatható. Ha a két paramétert megfelelően változtatjuk, a képen a különböző sugárelnyelésű szervek, szövetek kiemelhetők a pontosabb megítéléshez. Például alacsony fényerő és kontraszt esetén CT vizsgálatnál a csontszerkezet válik jól láthatóvá, míg a többi szerv egészen halvány megjelenésű. Magas kontraszt és magas fényerő esetén a tüdőszövet válik jól vizsgálhatóvá, a többi szerv világos és halvány.

Olyan vizsgálatok képi megjelenítése, melyeknél háromdimenziós adathalmaz keletkezik, lehetővé teszik az utólagos reorientálást. Ezáltal tetszőleges síkban is lehet értelmezni a kapott adatokat - Multiplanáris, Curved Plane reconstrukció. A voxelméret határozza meg ennek a síknak a felbontását. Ezért fontos olyan téglalap alakú voxel alkalmazása, melynek minden oldala közel azonos méretű - Isovoxel (CT-szeletek lateralis és axialis felbontása lehetőleg legyen azonos).
Egy másik megjelenítési lehetőség a projektív megjelenítés, melynél a teljes adathalmazt egy síkra vetítjük. Ebben az esetben többféle szűrést végezhetünk:
MIP (Maximal Intenzity Projection): Az adott normális irányában csak a legnagyobb értékű voxelt jelenítjük meg.
Average: Az adott normális irányában lévő voxelek átlagát jelenítjük meg.
MinIP (Minimal Intenzity Projection): Az adott normális irányában csak a legkisebb értékű voxelt jelenítjük meg.
VIP (Volume Intenzity Projection): Az adott normális irányában, megadott mélységig vizsgálva a voxeleket, csak a legnagyobb értékűt jelenítjük meg.
A síkok elforgatásával dinamikusan tudjuk megjeleníteni az adatokat (virtuális térhatás), valamint a sík vastagságának növelésével lehetőségünk van térhatású recontstrukcióra a volume rendering segítségével. A surface rendering alkalmazásával a voxelek értékeit figyelembe véve nemcsak szűrőket alkalmazunk, hanem csoportosítást is. Az azonos értékű voxeleket vagy egy meghatározott határfelületet egy csoportba foglalva, felületnek tekintve lehet megjeleníteni - renderelni. A CT és MR rétegfelvételeiből könnyedén készíthetünk tetszőleges síkú (multiplanáris, MPR) valamint térbeli (3D) rekonstrukciókat is. Ezek a rekonstrukciók lehetővé teszik az elváltozások pontosabb megítélését. Ez esetben a felület saját színintenzitása, átlátszósága, valamint a ráeső fény paramétereinek megfelelő beállításával kiemelhetőek akár egyes szervek a testen belül, valamint magában foglalja a virtuális endoszkópia lehetőségét is.

Többféle kép információtartalmának értelmezésére lehetőségünk van a pixelek egymásba olvasztására - fúziójára. Ilyenkor egyszerre tudjuk vizsgálni pl. a SPECT/CT vagy a PET/CT azonos szeletét.

6.11. Digitális képtovábbítás, kórházi hálózatok.

 
Digitális képtovábbítás és képtárolás célja, hogy a bármely hálózatra kapcsolt grafikus munkaállomáson elérhetőek, és az archívumból bármikor visszakereshetőek legyenek a digitális képalkotó modalitások képei és a képhez tartozó szöveges információk is.
A digitális képek tárolásához és továbbításához szükséges egy egységes formátum, hogy a különböző berendezésekkel készült felvételek bárhol, bármilyen más berendezésen ugyanúgy jelenjenek meg, és egymással összehasonlíthatóak legyenek. Ezért a radiológiai szakmai társaságok és az orvosi berendezéseket gyártó cégek közösen alakították ki a DICOM (Digital Image COmmunication in Medicine) szabványt, mely az összes modalitás felvételeit egységesen kezeli. Jelenleg a világon minden digitális radiológiai laborban ezt a formátumot használják. A digitális képek tárolásához és használatához szükséges technikai feltételeket a PACS (Picture Archives and Communication System) rendszerek valósítják meg.
A kórházakban alkalmazott informatikai rendszer (HIS) egységes rendszerben kezeli a betegadatokat, és a klinikai tevékenység adminisztrációs, gazdasági és pénzügyi vetületeit is, ezáltal ellátja valamennyi kórházi munkafolyamat információs feladatait.
A radiológiai szolgáltatásokat és kapacitásokat tervező, szervező, irányító és ellenőrző információs rendszer RIS (Radiological Information System). A radiológiai betegadatokat (pl. lelet, vizsgálati paraméterek, kontrasztanyag típusa) a vizsgálatok PACS-on tárolt és használt képeihez rendeli, vagyis a beteg összes radiológiához kapcsolódó adata egy helyen, a RIS-en tárolódik. A könnyebb kezelhetőség érdekében ennek az adatbázisnak el kell érnie a HIS-ben tárolt adatokat, hogy minél kevesebb adatot keljen a vizsgálatok során újra megadni, valamint a leletet a beteg adataihoz társítani lehessen. A modern kórházakban ez a két rendszer gyakorlatilag egybe fonódott (HIS/RIS). A HIS segítségével a RIS-en tárolt betegadatokat a páciensek más adataihoz társíthatjuk (pl. kórlap, laboratóriumi leletek, szakorvosi vizsgálatok).
Ezen három informatikai rendszer (PACS-RIS-HIS) összekapcsolásához mindenképpen szükséges egy megfelelő kapacitású hálózati kapcsolat kiépítése, és a különböző adatbázisok között az azonos és szükséges adatok egységes kommunikációja.
Adatvédelmi szempontból fontos ezen adatok védelme (magánhálózat, titkosítás), viszont fontos az adatok elérhetősége is (távoli elérés, internet). Ennek érdekében több törekvés is elterjedt (az internettől elszigetelt belső hálózat, VPN, HL7 protokoll).

6.12. Összefoglalás

 
A korszerű radiológiában a digitális képalkotás egyre jobban kiszorítja a hagyományos eljárásokat. A digitális képek kezelhetősége, jobb képminősége, valamint az utólagos feldolgozási lehetőségek széles tárháza segíti a radiológust mindennapi munkájában. A betegadatok mellett a radiológiai képanyag kórházi hálózatok általi könnyebb elérhetősége, az online konzílium lehetősége a klinikusok munkáját is nagyban segíti, amely végső soron hozzájárul a hatékonyabb gyógyító munkához.

---