Tomografické zobrazovací systémy v biologii a lékařství

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské techniky

Anotace:

Fyzikální principy konstrukce tomografických zobrazovacích systémů (s použitím rekonstrukčních algoritmů) používaných v lékařství, vlastnostmi a technicko-fyzikální limity jejich konstrukce Výpočetní RTG tomografy (CT RTG), zobrazovací systémy magnetické rezonance (ZSMR) a systémy jednofotonové (SPECT) a dvojfotonové- pozitronové (PET) emisní tomografie. Specializované systémy (MicroCT). Hodnocení kvality procesu zobrazení.

Požadavky:

1.Zápočet: Povinná účast na cvičení. Max. 1 neúčast omluvena (neúčast bez důvodu). V daných termínech odevzdané zpracované zadané úlohy a zaslané emailem cvičicímu.

2.Zkouška: Bez získání zápočtu a zápisu zápočtu do KOSu není možné realizovat zkoušku. Zkouška je tvořena písemným testem, kde je kombinována varianta odpovědí typu ABC (vždy jedna správná) - 1 bod a varianta, kdy je třeba odpovídat písemně - 5 bodů (velmi důležité otázky). Hodnocení písemného testu (počet otázek 40 - 9x5 bodů, 35x1 bod, 60 minut, max. 76 bodů, min. 57 bodů - 75%), detailní rozpis hodnocení je uveden na www stránce předmětu.

3.Celkové hodnocení z předmětu: Viz klasifikační stupnice ECTS. Nicméně 100 bodů je rozděleno mezi jednotlivé části následovně: 30% za získaný zápočet a max. 70% za úspěšně absolvovaný test. Minimum získaných bodů je 50, tzn., že: 30 za zápočet a 20 za test. Celkové hodnocení (zápočet + zkouškový test) je uvedeno detailně na www stránce předmětu.

Osnova přednášek:

1.Opakování základů konvenčních zobrazovacích systémů - souhrny. Úvod do tomografických zobrazovacích systémů.

2.Základní uspořádání CT systémů, historie vývoje CT, terminologie CT, systémy CT z hlediska měření fyzikálních veličin, nevýhody konvenční RTG diagnostiky.

3. Základní princip CT. Základní fyzikální princip CT. Význam hustoty tkáně. Kategorie CT systémů.

4. Základní uspořádání jednotlivých vývojových generací CT. Podstata jevu „utvrzování svazku“ (beam hardening). CT číslo - definice, škála HU, vztah k počtu zobrazovaných úrovní na monitoru CT. Generace, zpracování a detekce radiačního signálu CT systémů. Detektory CT systémů - druhy, schematické nákresy, principy činnosti, výhody a nevýhody. Funkční diagnostika pomocí CT.

5.Základní principy rekonstrukce obrazu u CT systémů - nákres a definice pojmů. Základní matematický vztah pro rekonstrukci CT obrazu. Rozdělení rekonstrukčních metod. Přímá zpětná projekce jako rekonstrukční metoda CT systémů. Hvězdicový artefakt. Výukový videoprogram.

6.Radonova transformace - princip, příklad předmětu a jeho obrazu v Radonově prostoru. Analytická rekonstrukce u CT systémů - 2D Fourierova transformace. Podstata, zjednodušený nákres, vysvětlení dle předloženého podrobného nákresu.

7.Analytická rekonstrukce u CT systémů - filtrovaná zpětná projekce. Podstata, zjednodušený nákres, vysvětlení dle předloženého podrobného nákresu. Iterativní rekonstrukce. Zpracováníelektrického signálu.

8.Fyzikální podstata jaderné magnetické rezonance (JMR, NMR). Vztah atomů a jader k magnetismu či magnetickému poli, pojem spinu, vztah magnetizace a energetických stavů, precese, Larmorova frekvence.

9. Fyzikální podstata jaderné magnetické rezonance (JMR, NMR). Rádiové frekvence v magnetickém poli, fázová koherence a precese, rezonance, VF puls, sklápění vektoru magnetizace, generování MR signálu - podélná a příčná složka magnetizace a jejich vzájemný vztah, vztah složek magnetizace a signálu volné precese, tzv. FID.

10.Relaxace, její definice, relaxační časy, či časové konstanty T1, závislost obnovení podélné složky magnetizace na magnetickém poli a druhu tkáně, příčná relaxace a její souvislost s interakcí SPIN-SPIN a časovou konstantou T2, souvislost časové konstanty T2, druhu tkáně a nehomogenit magnetického pole, použití 180 stupňů VF pulsu jako prostředku ke korekci rozfázování elementárních spinů.

11.Vztah pulsních sekvencí a kontrastu, resp. vztah intenzity generovaného MR signálu dané typem tkáně, pulsní sekvencí a relaxačními časy T1 a T2, kontrast obrazu daný relaxačním časem T1 , T2 a hustotou protonů, definice SR, SE a IR sekvencí, T1 , T2 a hustotou protonů vážený obraz a vztah k časům TE a TR.

12.Kódování prostorové polohy objemového elementu (voxelu) - definice gradientu, způsob generování gradientu magnetického pole, výběr řezu, tloušťka řezu, kódování obrazové matice - pixel, rozlišení, použití aparátu Fourierovy transformace, frekvenční kódování sloupců a frekvenčně kódující gradient magnetického pole, fázové kódování řádků a fázově kódující gradient magnetického pole, význam pulsních diagramů, řízení frekvencí a fází během SE sekvence.

13.Podstata Fourierovy rekonstrukční metody - zjednodušený nákres procesu rekonstrukce. Základní komponenty MR systému, druhy magnetů, důležité charakteristiky komponent. Funkční diagnostika pomocí MR. Hodnocení kvality ZS MR.

14.Princip PET a SPECT tomografických systémů, zjednodušený nákres. Podstata iterativní (algebraické) metody rekonstrukce u CT systémů. Hodnocení kvality SPECT a PET ZS. Kombinace systému CT a PET.

Osnova cvičení:

1.Podmínky zápočtu, opakování z konvenčních zobrazovacích systémů - souhrny.

2.Přehled okruhů, tomografické zobrazování obecně, základní pincip CT, využití lineárního koeficientu útlumu, Ct číslo (HU). Typy CT systémů.

3. Radonova transformace. Možnosti implementace (v Matlabu a vlastní skript). Důležité poznámky, Seznámí s příkladem kódu. Porovnání výsledků.

4.Rekonstrukce obrazu - inverzní Radonova transformace. Zpětná projekce. Seznámení s kódem. Porovnání výsledků.

5.Filtrovaná zpětná projekce. Seznámení s kódem. Porovnání výsledků.

6.Iterativní rekonstrukce. Seznámení s kódem. Porovnání výsledků.

7.2D Fourierova transformace. Popis algoritmu. Seznámení s algoritmem. Porovnání výsledků.

8.Zobrazování megnetickou rezonancí - základní principy.

9.Simulace signálu FID. Seznámení s kódem.

10.Simulace na mikroskopické úrovni. Seznámení s kódem.

11.Simulace a rekonstrukce zjednodušeného obrazu (část 1).

12.Simulace a rekonstrukce zjednodušeného obrazu (část 2).

13.Simulace a rekonstrukce zjednodušeného obrazu (část 3).

14.Udílení zápočtů. Konzultace.

Cíle studia:

Seznámit studenty s fyzikálními principy konstrukce tomografických zobrazovacích systémů používaných v lékařství, dosahovanými vlastnostmi a technicko-fyzikálními limity jejich konstrukce. Student bude schopen posoudit, na základě standardně definovaných technických parametrů systému, zda splňuje požadavky, které jsou na něj kladeny.

Studijní materiály:

[1] Zuna, I., Poušek,L.: Úvod do zobrazovacích metod v lékařské diagnostice. Praha, ČVUT 2000.,

[2] Hozman, J., Roubík, K.: Tomografické zobrazovací metody v lékařství - CT. Výukový videoprogram (VHS). Praha, AVTC ČVUT 2002.

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů: