Zobrazovací systémy

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Elektromagnetické záření a vztah k jednotlivým typům lékařských

diagnostických zobrazovacích systémů. Základy teorie zobrazení. Aplikace

aparátu 2D FT. Přenosové vlastnosti zobrazovacích systémů. Optické

zobrazovací systémy. Televizní zobrazovací systémy (zahrnující

videoendoskopické zobrazovací systémy). Základní metody předzpracování

obrazu. Infrazobrazovací systémy (termovizní systémy). RTG zobrazovací

systémy. Gamazobrazovací systémy. Ultrazvukové zobrazovací systémy.

Dopplerovské systémy. CT systémy (základní princip, schematické uspořádání

systému, základní fyzikální princip, vývojové generace, základní principy

rekonstrukce). Systémy zobrazování magnetickou rezonancí. Princip PET a SPECT. Specializované zobrazovací systémy. Předmět a zejména laboratorní

cvičení poskytují studentům náhled na principy tvorby vzniku obrazových dat

používaných v lékařství, na princip metod jejich snímání, digitalizaci a

následného zpracování, na princip funkce a vlastnosti snímacích obrazových

prostředků v souvislostech, což má význam zejména z hlediska

interdisciplinárnosti předmětu a oboru jako celku.

Požadavky:

Osnova přednášek:

1.Úvod do předmětu. Význam zobrazovacích metid a systémů. Přiřazení

jednotlivých složek elektromagnetického spektra a ultrazvukového vlnění k

jednotlivým typům lékařských diagnostických zobrazovacích systémů. Základní

třídění zobrazovacích systémů, metod a technik.

2.Základy teorie 2D zobrazení. Přenosové vlastnosti zobrazovacích soustav.

Rozlišovací schopnost. Hodnocení kvality zobrazovacích soustav.

3.Optické zobrazovací systémy. Mikroskopické systémy.

4.Televizní zobrazovací systémy. Principy snímání. Parametry TV systémů.

Aplikace v lékařství. Videoendoskopické systémy.

5.Řetězec pro snímání a digitalizaci obrazového signálu. Přehled snímacích prostředků. Základní metody předzpracování obrazu.

6.Infrazobrazovací systémy v lékařství. Princip činnosti a diagnostický

význam.

7.Konveční RTG systémy. Složení a popis částí. Detektory RTG záření. RTG-TV

systém. Angiografie. Digitální radiografie.

8.Zobrazovací systémy v nukleární medicíně. Princip detekce fotopíku v

gamazobrazovacích systémech. Gamakamera Angerova typu.

9.Ultrazvukové zobrazovací systémy. Základní veličiny zvukového pole. Měniče

a sondy. Útlum, odraz a lom ultrazvukové vlny. Rozptyl. Absorpce. Rozdělení

UZV zobrazovacích systémů. Systémy rozkladu. Rozlišovací schopnost. Fokuzace svazku. Módy zobrazení. Principy tvorby obrazu. Obecná struktura UZV

zobrazovacího systému.

10.Dopplerův princip (jev). Aplikace Dopplerova principu pro případ

červených krvinek. Obecné blokové schéma demodulace Dopplerova signálu.

Charakteristické rysy dopplerovských UZ systémů obecně a pro PW a CW

systémy.

11.CT - nevýhody konvenční RTG diagnostiky. Základní technický a fyzikální

princip CT. Schematické uspořádání systému. Vývojové generace. Detektory CT

systémů. Základní principy rekonstrukce obrazu u CT systémů.

12.Fyzikální podstata jaderné magnetické rezonance. Relaxace, relaxační časy, či časové konstanty T1 a T2. Časy TE a TR. Kódování prostorové polohy

objemového elementu. Podstata Fourierovy rekonstrukční metody. Princip

tvorby obrazu. Základní komponenty MR systému.

13.Princip PET a SPECT tomografických systémů. Podstata iterativní

(algebraické) metody rekonstrukce.

14.Specializované zobrazovací systémy.

Osnova cvičení:

1.Prostředí Matlab - Image Processing Toolbox jako základní nástroj pro

implementaci úloh

2.Základní metody číslicového zpracování obrazu. Úlohy z oblasti vnímání

jasu a kontrastu, vliv počtu úrovní a počtu obrazových bodů na rozlišovací

schopnost, převodní charakteristika obrazu, histogram, aritmetické a logické

operace s obrazem - souvislost s jasem a kontrastem, 2D FT, 2D konvoluce -

filtrace.

3.Procvičení matematických základů pro teorii obrazu. Procvičení vlastností

a možností použití 2D Fourierovy transformace. Modelování obecného procesu

zobrazení a jeho charakteristik. Úlohy - Modelování základních druhů zkreslení vznikajících v procesu zobrazení, MTF ZSL (výpočet a měření) a

její vliv na rozlišovací schopnost systému.

4.Demonstrace na TV systému. TV norma. Rozlišovací schopnost. Digitalizace

TV signálu (vliv A/D převodníku). Některé výpočty z oblasti optických

zobrazovacích systémů. Výpočet jednoduchých optických soustav. Výpočet a

ověření základních parametrů těchto soustav.

5.Experimenty se specializovaným skenerem pro RTG filmy od fy Vidar Sierra

Plus (srovnání skeneru pro RTG filmy a standardního komerčního skeneru)

6.Procvičení výpočtů v oblasti infračervené oblasti spektra, možnosti

použití základních fyzikálních zákonů, které zde platí. Termovizní kamera, ukázky různých typů krystalů, praktické seznámení.

7.Některé výpočty z oblasti RTG záření a zatížení rentgenek. Výukové

videoprogramy o RTG záření a W. C. Roentgenovi.

8.Výukové videoprogramy a multimediální programy o UZV systémech.

Ultrazvukové zobrazovací systémy praktické seznámení - demonstrace vybraných

typů UZV ZSL (konkrétní zařízení).

9.Experimenty s polovodičovým obrazovým snímačem (kamerou) Shad-o-box fy

Rad-icon (kamera s polovodičovým obrazovým snímačem pro snímání RTG záření

připojitelná přes digitalizační zařízení obrazu (frame grabber) k počítači -

experimeny prováděny mimo FBMI na základě legislativy)

10.Přímá zpětná projekce jako rekonstrukční metoda CT systémů. Hvězdicový

artefakt. Radonova transformace - princip, příklad předmětu a jeho obrazu v

Radonově prostoru (prostředí Matlabu).

11.Analytická rekonstrukce u CT systémů - 2D Fourierova transformace.

Podstata, zjednodušený nákres, vysvětlení dle předloženého podrobného

nákresu (prostředí Matlabu).

12.Analytická rekonstrukce u CT systémů - filtrovaná zpětná projekce.

Podstata, zjednodušený nákres, vysvětlení dle předloženého podrobného

nákresu (prostředí Matlabu).

13.Iterativní (algebraické) metody rekonstrukce (kritériem bude buď počet iterací, nebo rychlost konvergence).

14.Princip rekonstrukce JMR obrazu (zadána charakteristika materiálu v

podobě hustoty protonů, relaxačního času T1 a T2, definice K-prostoru,

simulace a rekonstrukce pro ruzne hodnoty TR a TE, kódování sloupců a řádků,

výpočet 2D FFT K-prostoru, oříznutí K-prostoru - experimenty, zobrazení

řádkových průběhů K-prostoru hustotou protonů váženého obrazu, vykreslení

K-prostoru - hstotou protonů vážený obraz, T1 vážený obraz, T2 vážený obraz)

Cíle studia:

Cílem je seznámit studenty s obecnými základy teorie

procesu zobrazení, metodami snímání, hodnocení a zpracování

obrazové informace, vlastnostmi obrazových signálů,

principy vytváření obrazu a s obecným kvantitativním

hodnocením kvality zobrazovacích modalit s přímou syntézou

obrazu používaných v lékařství. Není kladen důraz na detailní technické provedení jednotlivých systémů, ale

pouze na dostupná koncepční řešení a pochopení z nich

vyplývajících fyzikálních limitů dosažitelných technických

parametrů. U všech modalit je kladen důraz na využití

obecných metod kvantitativní analýzy kvality procesu

zobrazení pro danou část elektromagnetického spektra a uzv signálu s cílem pochopit limitující principy konstrukce

těchto zařízení. Student bude schopen posoudit, na základě

takto standardně definovaných technických parametrů, zda

splňuje požadavky, které jsou lékaři na modalitu kladeny.

Všechny takovéto poznatky jsou pak výchozím předpokladem ke

správnému postupu technika při výběru a aplikaci dané modality a též nezbytným minimem pro zajištění potřebné

kvality výsledných obrazových dat. Snahou je, aby studenti

byli navozeni do situacem jaky kdyby vykonávali funkci

technika na RDG klinice, či klinice zobrazovacích metod a

mají řešit úlohy, se kterými se setkají na budoucích

pracovištích velmi často. Tento přístup se osvědčil a vede k větší samostatnosti a zájmu studentů a k vyššíuplatnitelnosti absolventů v praxi.

Studijní materiály:

[1] Svatoš, J.: Zobrazovací systémy v lékařství. Skriptum ČVUT, 1998.

[2] Drastich, A.: Netelevizní zobrazovací systémy. Skriptum FEI VUT v Brně,

2001.

[3] Zuna, I., Poušek,L.: Úvod do zobrazovacích metod v lékařské diagnostice.

Skriptum ČVUT, 2007.

[4] Hozman, J., Bernas, M., Klíma, M., Dvořák, P. Zpracování obrazové

informace. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1996.

[5] Materiály ke kurzu Získání a zpracování obrazu v mikroskopii [online].

Jiří Hozman, c2002-2007. Poslední změna 6. 6. 2006 [cit. 2007-01-18]. URL:

http://webzam.fbmi.cvut.cz/hozman/

[6] Rezňák a kol.: Moderné zobrazovacie metódy v lekárskej diagnostike.

Osveta, 1992.

[7] Hozman, J., Roubík, K. Tomografické zobrazovací metody v lékařství - CT.

Výukový videoprogram (VHS, CDROM). Praha: AVTC ČVUT, 2002. Je k dispozici na

http://www.civ.cvut.cz/info/info.php?id=148 a dále na

http://www.civ.cvut.cz/info/info.php?&did=603)

[8] Roubík, K.: Fyzikální základy JMR. Učební text pro studenty FBMI. (k

dispozici na stránce předmětu)

[9] Drastich, A.: Zobrazovací systémy v lékařství,Ediční středisko VUT Brno.

1990

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Prospectus - magisterský (!)
• Navazující magisterský studijní obor Biomedicínský inženýr v AJ (povinný předmět)
• Navazující magisterský studijní obor Biomedicínský inženýr v AJ (povinný předmět)