Zobrazovací systémy

Předmět lze klasifikovat až po klasifikaci předmětů:

Fyzika II. (17BKFY2)

Přednášející:

Jiří Hozman

Cvičící:

Jiří Hozman

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 vyšší uplatnitelnosti 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:

Rozvrh na zimní semestr 2011/2012:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2011/2012:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní obor Biomedicínský technik - kombinované (povinný předmět)