Konvenční zobrazovací systémy v biologii a lékařství

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Základy teorie procesu zobrazení, metody snímání, hodnocení a zpracování obrazové informace, vlastnosti obrazových signálů, principy vytváření obrazu a obecné kvantitativní hodnocení kvality zobrazovacích modalit s přímou syntézou obrazu (bez použití rekonstrukčních algoritmů) používaných v lékařství. Základní fyzikální a technické aspekty konstrukce obecného analogového a digitálního zobrazovacího systému a jejich modifikace pro různé typy zobrazovacích modalit s přímou syntézou obrazu. Technické aspekty konstrukce optických, resp. endoskopických, infrazobrazovacích systémů, RTG a digitální radiografie, konvenční gamazobrazovací systémy, ultrazvukové zobrazovací systémy.

Požadavky:

Osnova přednášek:

1.Elektromagnetické záření - popis fotonu. Přiřazení jednotlivých složek elektromagnetického spektra a ultrazvukového vlnění k jednotlivým typům lékařských diagnostických zobrazovacích systémů. Popis atomového jádra. Radioaktivita - procesy rozpadu jader. Rozpadový zákon. Rentgenovo záření. Mechanizmus vzniku charakteristických čar. Absorpční spektrum. Augerův jev a vnitřní fotoelektrický jev. Comptonův jev. Anihilace. Základní třídění zobrazovacích systémů, metod a technik.

2.Základy teorie zobrazení. Použití aparátu 2D Fourierovy transformace pro výpočet odezvy systému. Konvoluce. Pojem prostorové frekvence. Obrazový tok a jeho diskretizace. Konvoluce a optická přenosová funkce. Definice kontrastu. Modulační přenosová funkce (MTF). Bodová rozptylová funkce (PSF), čárová (řádková) rozptylová funkce (LSF), vztah PSF a optické přenosové funkce. Vztah LSF a MTF. Prostorová (geometrická) rozlišovací schopnost a energetická rozlišovací schopnost. Koeficient prostorového (geometrického) rozlišení (FWHM). Přenos obrazové souřadnice (citlivost, účinnost, homogenita). Přenos poziční souřadnice (linearita). Hodnocení kvality obecného procesu zobrazení v prostorové a frekvenční oblasti.

3.Optické zobrazovací systémy. Charakteristiky a vlastnosti optických zobrazovacích prvků a systémů. Podstata mikroskopu a jednotlivé odlišnosti v závislosti na použitém druhu záření. Hodnocení kvality optických zobrazovacích systémů.

4.Televizní zobrazovací systémy. Základy TV snímání (fyziologie oka, technické předpoklady). TV norma. TV rastr. Rozlišovací schopnost. Černobílé a barevné TV systémy. Blokové uspořádání systémů. Vlastnosti a parametry TV zobrazovacího systému - výhody a nevýhody použití pro lékařské aplikace. Přehled aplikací v lékařství (zejména ednoskopické ZSL). Hodnocení kvality TV zobrazovacích systémů.

5.Základní metody předzpracování obrazu. Řetězec pro snímání a digitalizaci obrazového signálu. Vzorkování v čase, ploše a kvantování úrovní. Geometrické a úrovňové rozlišení obrazu. ČB, šedotónové a barevné obrazy. Převodní charakteristiky a histogram. Aritmetické a logické operace s obrazem. Aplikace konvoluce (filtrace). Segmentace. Příklady metod.

6.Fyzikální veličiny popisující záření a světlo. Fyzikální zákony pro tepelný zářič. Princip činnosti infrazobrazovacího systému a jeho diagnostický význam. Kontaktní a distanční termografie. Využití tekutých krystalů. Termovizní systémy. Hodnocení kvality infrazobrazovacích systémů.

7.Rentgenka s pevnou a rotační anodou (popis částí). Ohniska rentgenky. Uspořádání konvenčního rentgenového přístroje, popis jeho částí. Spektrum RTG záření generovaného v rentgence. Souvislost spektra se strukturou atomového obalu látek tvořících anodu. Moseleyův zákon. Interakce RTG záření s hmotou.

8.Vliv anodového napětí, proudu, protonového čísla materiálu anody na RTG spektrum. Expozice a expoziční automaty. Detektory RTG záření. Blokové schéma RTG-TV systému. Princip funkce zesilovače RTG obrazu a jeho charakteristiky. Angiografie (principy analogové, DSA). Digitální radiografie (přímá a nepřímá, ploché panelové displeje - FPD). Hodnocení kvality RTG zobrazovacích systémů.

9.Radioaktivní rozpad, charakteristiky zářičů. Zdroje záření gama v nukleární medicíně. Princip vyšetření pomocí radionuklidů. Detektory gamazáření. Interakce gamazáření s hmotou. Spektrum gamazáření vycházejícího z pacienta. Princip detekce fotopíku gamazobrazovacích systémech. Gamakamera Angerova typu: popis jednotlivých částí a princip jejich činnosti. Tvorba výsledného obrazu. Hodnocení kvality gamazobrazovacích systémů.

10.Základní veličiny zvukového pole (rychlost šíření, vlnová délka, akustický výkon, intenzita ultrazvuku, akustická impedance, akustický tlak, hladiny intenzity a tlaku, elektromechanické analogie). Co je základním primárním parametrem ultrazvukového zobrazovacího procesu? UZV měniče a sondy (přímý a nepřímý piezoelektrický jev, impedance sondy a její složky, rezonanční frekvence sondy, vyzařovací diagram sondy - blízké a vzdálené pole, konstrukce sondy). Útlum UZV energie (analytický výraz, složky útlumu). Odraz a lom ultrazvukové vlny (reflexní koeficienty, Snellův zákon, index lomu). Rozptyl. Absorpce. Geometrická zkreslení ultrazvukového zobrazení (změnou rychlosti šíření, násobnou reflexí, skladbou tkání, ohybem, konečnou šířkou svazku - pro pravoúhlé a sektorové zobrazení, pohybem tkáňových struktur).

11.Rozdělení UZV zobrazovacích systémů z hlediska tvaru trajektorie rozkladu pole (lineární, sektorové). Mechanické systémy rozkladu. Elektronické systémy rozkladu. Prostorová rozlišovací schopnost UZV zobrazovacích systémů (tl. tomografické roviny, stranová rozlišovací schopnost, hloubková rozlišovací schopnost). Fokuzace svazku UZV signálu (důvody, UZV optikou, elektronická - statická a dynamická, v režimu vysílání a v režimu příjmu, velikostí apertury, elektronickooptická fokuzace).

12.Módy zobrazení (A, B, C, M či TM). Principy tvorby obrazu. Obecná struktura UZV zobrazovacího systému. Charakteristické vlastnosti a požadavky na jednotlivé bloky. Nelineární řízení zisku přijímače - TGC (důvody, metody, charakteristiky).

13.Dopplerův princip (jev) pro dva základní případy - stacionární zdroj a pohybující se přijímač, stacionární přijímač a pohybující se zdroj, odvození Dopplerova kmitočtu. Aplikace Dopplerova principu pro případ červených krvinek pohybujících se pod určitým úhlem ke směru ultrazvukového paprsku. Obecné blokové schéma demodulace Dopplerova signálu.

14.Hlavní myšlenka demodulace založené na FFT a vztah ke spektru rychlosti proudící krve. Charakteristické rysy dopplerovských UZ systémů obecně a pro PW a CW systémy. Podstata omezení rozsahu detekovaných rychlostí průtoku u PW systémů. Hodnocení kvality UZV zobrazovacích systémů.

Osnova cvičení:

8.Prostředí Matlab - Image Processing Toolbox jako základní nástroj pro implementaci úloh (PC učebna)

9.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. (PC učebna)

10.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 a její vliv na rozlišovací schopnost systému. (PC učebna)

11.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. (PC učebna)

12.Procvičení výpočtů v oblasti infračervené oblasti spektra, možnosti použití základních fyzikálních zákonů, které zde platí. Termovizní kamera, ukázky různých typů krystalů, praktické seznámení. (Lab. 10)

13.Některé výpočty z oblasti RTG záření a zatížení rentgenek. Výukové videoprogramy o RTG záření a W. C. Roentgenovi (Lab. 10)

14.Výukové videoprogramy a multimediální programy o UZV systémech. Ultrazvukové zobrazovací systémy praktické seznámení - demonstrace vybraných typů UZV ZSL (konkrétní zařízení). (Lab. 9 a 10)

Cíle studia:

Seznámit studenty s fyzikálně-technickými principy vytváření obrazu u konvenčních zobrazovacích systémů v lékařství. Pochopit limitující principy a parametry konstrukce těchto zařízení, na základě kterých bude student schopen posoudit, zdali systém splňuje požadavky, které jsou lékaři na něj kladeny.

Studijní materiály:

[1] Macross Svatoš, J.: Zobrazovací systémy v lékařství. Praha, ČVUT 1998., [2] Zuna, I., Poušek,L.: Úvod do zobrazovacích metod v lékařské diagnostice. Praha ČVUT, 2000.,

[3] Zang-Hee, Cho., Jones, Joi. P., Singh Manbir: Foundations of Medical Imaging. Wiley, 1993.,

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů: