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HPP - MEDICINA MOLECULAR, SA
Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D – Aplicação em Imagem
Funcional e Metabólica
Diogo Faria, João Tavares, Durval C. Costa
XIII Congresso Nacional de Medicina Nuclear Cascais
25 Novembro de 2011
HPP - MEDICINA MOLECULAR, SA
S e g m e n t a ç ã o , R e c o n s t r u ç ã o e Q u a n t i f i c a ç ã o – A p l i c a ç ã o e m I m a g e m F u n c i o n a l e M e t a b ó l i c a
Apresentação
Processamento e análise de imagem
o Reconstrução
o Segmentação
o Quantificação
Trabalho em curso
Trabalhos e Colaborações
Conclusões
Sumário
HPP - MEDICINA MOLECULAR, SA
S e g m e n t a ç ã o , R e c o n s t r u ç ã o e Q u a n t i f i c a ç ã o – A p l i c a ç ã o e m I m a g e m F u n c i o n a l e M e t a b ó l i c a
Licenciado em Medicina Nuclear pela Escola Superior de Tecnologia de Saúde do Porto
Funções como Técnico Coordenador - Coordenação, Gestão Operacional e de Recursos Técnicos
Todas as valências em Medicina Nuclear – Diagnóstico (SPECT, PET e convencional) e Terapêutica (Ambulatório e Internamento)
Apresentação
Certificação ISO 9001:2008
European Accreditation of the Nuclear Medicine Centre
European Accreditation of the Nuclear Medicine Training Department
Ciclotrão
2005
HPP - MEDICINA MOLECULAR, SA
S e g m e n t a ç ã o , R e c o n s t r u ç ã o e Q u a n t i f i c a ç ã o – A p l i c a ç ã o e m I m a g e m F u n c i o n a l e M e t a b ó l i c a
Aluno de Mestrado em Engenharia Biomédica na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Segmentação, Reconstrução e Quantificação 3D de Estruturas em Imagens Médicas – Aplicação em Imagem Funcional e Metabólica
Sob a orientação de:
Prof. Doutor João Manuel R. S. Tavares Prof. Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto [email protected] www.fe.up.pt/~tavares
Prof. Doutor Durval C. Costa Coordenador Clínico e Científico HPP-Medicina Molecular, SA.
Diretor de Medicina Nuclear
Fundação D. Anna Sommer Champalimaud e Dr. Carlos Montez Champalimaud – Centro Clínico Champalimaud
Apresentação
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S e g m e n t a ç ã o , R e c o n s t r u ç ã o e Q u a n t i f i c a ç ã o – A p l i c a ç ã o e m I m a g e m F u n c i o n a l e M e t a b ó l i c a
Processamento e análise de imagem
Visão – capacidade sensorial de extrema importância
o Permite adquirir informação sobre o meio circundante, como informação 3D
o Bem como sobre objetos, como forma, movimento, deformação
A área do Processamento e Análise de Imagem tenta desenvolver algoritmos computacionais para a realização automática ou semi-automática de operações complexas usualmente realizadas pelo nosso sistema de visão
Utilizados em Biologia, Medicina, Engenharia, Indústria, Desporto,...
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João Manuel R. S. Tavares
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Melhoramento de imagem
Segmentação de imagem / extração de características
seguimento
emparelhamento
simulação
Imagem / imagens
Análise de movimento
alinhamento
Processamento de Imagem
Análise de Imagem / Visão Computacional
Visão 3D
Visão por Computador
Processamento e análise de imagem
Slide credit: João Manuel R. S. Tavares
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Reconstrução de imagem
o Métodos analíticos
o Métodos Iterativos
Processamento e análise de imagem
g(s, θ) – número de cintilações detectadas na posição s ao longo do detector, com angulação θ
f(x,y) – número de fotões emitidos a partir de qualquer ponto (x,y) do plano transverso no campo de visão
CYRI C Tohoku Univ.CYRI C Tohoku Univ.
Projection Data & Image
projection
sinogram
PET detector ring
LORs
reconstructed image
data correction & reconstruction
A detecção em coincidência de pares de fotões de 511 KeV formam Linhas de Resposta – “Line of Response, LoR Cada par de detectores define um possivel trajecto de emissão
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Reconstrução de imagem
Métodos analíticos – Retroprojeção Filtrada
Johann Radon, um matemático austríaco (1917), que demonstrou que um objeto poderia ser reconstruído a partir de múltiplas projeções obtidas segundo ângulos diferentes
Retroprojeção – tornar o valor de um elemento adquirido em Φ e colocar este valor em todos os elementos ao longo de uma linha no ângulo Φ da matriz da imagem
Obtenção da Transf. Fourier 1D para cada projeção, filtragem da transformação resultante (Ramp ou Hanning , entre outros...), cálculo Transf. Inversa da projeção filtrada e retroprojectar os dados para cada posição angular
Processamento e análise de imagem
Retroprojeção - colocação de um valor de p(xr,
Φ) numa matriz de imagem ao longo de uma LOR, para um valor fixo de Φ.
Reconstrução Tomográfica em TC e MN3 Métodos de retroprojeção filtrada
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Projeções Retroprojeção Resultado final
Projeções
filtradas
Retroprojeção
filtradaProjeções
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Reconstrução de imagem
Métodos Iterativos
Baseados em métodos estatísticos, procura uma solução através de sucessivas estimativas
Tendo em conta as projeções obtidas, estima a distribuição de actividade que melhor se adequa;
Vantagens
Menor ruído (incorporação de modelos probabilísticos), modelação de efeitos físicos e redução de artefactos.
Processamento e análise de imagem
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Reconstrução de imagem em PET 3D
Aumento de sensibilidade LORs obliquas
Processamento e análise de imagem
Métodos Analíticos
• Variância espacial dificulta a sua implementação – extensão axial finita dos tomógrafos e LORs obliquas truncadas
• A distribuição de actividade reconstruida a partir das LORs directas pode ser reprojectada para obtenção das LORs obliquas completas 3DRP
• Conversão dos dados de planos oblíquos num conjunto de cortes paralelos a duas dimensões, permitindo assim uma posterior reconstrução de cada corte separadamente com um algoritmo 2D, para recuperação da imagem 3D SSRB, MSRB e FORE
Métodos Iterativos
• Aumento das exigências computacionais – aumento da informação a processar
• Incorporaçao da variância espacial da informação recolhida
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Segmentação
Papel da imagiologia médica não está limitado à inspeção e identificação de estruturas anatómicas planeamento cirúrgico avançado, quantificação, simulação e planeamento para radioterapia
Pretende-se identificar de forma automática, ou semi-automática, os objetos (2D/3D) presentes em imagens estáticas ou em sequências de imagem
Problemas envolvidos ruido, resolução espacial, formas não conhecidas, múltiplas estruturas presentes, movimento do doente, scatter, PVE e atenuação fotónica
Processamento e análise de imagem
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Segmentação – Aplicações
Avaliação de volumes de orgãos ou tumores - resposta à terapêutica
Definição de áreas a tratar em RT – MIGRT (Molecular Imaging-Guided Radiation Therapy)
Extração de parâmetros de relevância clínica – FEVE em Cardiologia Nuclear, delineação automática de estruturas de interesse
Processamento e análise de imagem
.
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Segmentação
Tresholding o Baseado em histograma, definido um valor de limiar (treshold), T - imagem é dividida
em grupos de pixéis com valores dentro ou fora de determinada gama o Características espaciais ignoradas, sensível ao PVE, artefactos de movimento e
heterogeneidade
Crescimento de regiões o Procedimento inicia com um conjunto de pixéis “semente” crescimento de regiões
uniformes o Assumpção que os valores de intensidade são constantes em regiões o Sensível ao ruido e PVE
Classificadores o Técnica que faz a associação de classes a tipos de tecido. o Necessidade de treino prévio o Pode ser feito através de um operador ou usuário
Processamento e análise de imagem
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Segmentação Clustering
o Aplicação em imagens multi-banda o Número de clusters deve ser definido a priori o Separação da imagem em k regiões sendo o critério utilizado a cor e a distância
euclidiana
Detecção de orlas e contornos o Contornos – interseção de 2 regiões onde existem variações bruscas no valor de
intensidade dos pixéis
o Operadores de derivada de primeira ordem mostram um extremo no contorno, enquanto operadores de derivada de segunda ordem passam por zero onde o contorno tem os seus altos e baixos mais íngremes
o Bons resultados em imagens com bom contraste
o Requer uma operação de filtragem que dê realce a mudanças nos valores de cada pixel e que anulem áreas com valores constantes
Processamento e análise de imagem
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Segmentação Modelos deformáveis - “Snakes”
o curvas, superfícies ou sólidos definidos numa imagem ou volume
o um processo de alto nível ou o próprio operador inicializa a curva próxima ao contorno que se quer identificar
o a Snake desenvolve, então, um processo de deformação no sentido do contorno até que se identifica com ele (ao nível da precisão do pixel).
Processamento e análise de imagem
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Segmentação - PET
Processamento e análise de imagem
Categoria Caracteristicas Limitações
Manual Inspeção Visual e Delineação
manual Variabilidade inter-observador, demorado
Thresholding Eficiente e de implementação
simples
Sensível ao PVE, heterogeneidade e artefactos de movimento, decisão prévia a qual o T a
utilizar
Sobel, Modelos Deformáveis
Permite a incorporação de informação prévia, tais como a
forma Sensível ao ruído da imagem
Clustering, Redes Neurais Artificiais
Reconhecimento de padrões – Supervisionados e não
supervisionados
Necessidade de treino e computacionalmente exigentes
Habib Zaidi, Issam El Naqa:PET-guided delineation of radiation therapy treatment volumes: a survey of image segmentation techniques.Eur J Nucl Med Mol Imaging (2010) 37:2165–2187
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Quantificação – Exemplos
Funcional
Captação Tiroideia Função Renal FEVE
Paramétrica
Perfusão cardiaca Metabolismo Cerebral
Quantificação Absoluta ou Relativa
SUVs
Processamento e análise de imagem
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Quantificação – SPECT
Processamento e análise de imagem
Ritt P, Vija H, Hornegger J, Kuwert T: Absolute quantification in SPECT. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging 2011, 38(0):69-77.
Eficiência de Detecção
Colimador
Cristal
Resolução espacial e penetração septal
Perda de contagens
Atenuação fotónica
Radiação dispersa
Radiofármacos
Movimentos do doente
Algoritmos de reconstrução
PVE
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Quantificação – PET
Análise de estudos metabólicos com FDG e PET
Qualitativa – “sinal aumentado (focal) indica
avidez para o radiofármaco específico”
Semiquantitativa – SUV’s (standardized uptake
value), Razão Lesão/Fundo
Absoluta
Análise Gráfica Patlak-Gjedde e de Sokoloff-Phelps
Métodos simplificados
Processamento e análise de imagem
Concentração FDG livre
Pool extravascular
FDG fosforilado
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Quantificação – PET
Processamento e análise de imagem
Causas de erro PVE Doente Tempo de aquisição de imagem pós injeção Movimento do doente PET-CT vs PET Calibraçã0 QA Características do tomógrafo Algoritmos de reconstrução de imagem
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Trabalho em curso DaTSCAN Nome comercial do radiofármaco 123I-IOFLUPANO (123I-fluoropropyl-
2β-carbometoxy-3β-{4-iodophenyl}tropane), análogo da cocaína, usado
para estudar os transportadores pré-sinápticos da dopamina (DaT) no
SNC com SPECT
Análise visual por observadores experientes
Quantificação absoluta
invasivo
modelação cinética de radiofármacos
amostragem de sangue arterial
aquisições SPECT dinâmicas
Métodos Semi-quantitativos
utilizam computadores e softwares dedicados para extrair informação das imagens obtidas com estes radiofármacos
catalogação de pacientes - diferentes padrões de captação
relações entre áreas de captação específica em regiões de interesse e áreas de captação não específica
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Trabalho em curso Especificação de Metodologia menor variabilidade entre estudos, e sistemas;
Base de dados de normais e valores de referência;
Automatização da metodologia de quantificação para redução da variabilidade inter-operador
Binding Potencials, Volumes and Pixel by Pixel Z-Scores Test vs Normal Datscan Database
Francisco Oliveira, PhD - FEUP Segmentação automática das estruturas de interesse
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F J Caramelo, D Faria, N C Ferreira, J J P Lima. “Registration of planar scintigraphy data onto video images obtained at different perspectives”, 11th International Congress of the IUPESM, 2009. Munich, Germany. F J Caramelo, D Faria, N C Ferreira, J J P Lima .“A method for 3D motion correction of nuclear medicine planar imaging data”, 11th International Congress of the IUPESM, 2009. Munich, Germany. Patrina, D. Faria, J. Vale, L. Ribeiro, D. Sousa, C. Nunes, J. Oliveira, A. Sevilla, D. C. Costa. Investigation of Central Sleep Apnea with Brain FDG-PET - technical aspects for setting-up a service. 22º Annual EANM Congress, 2009. EANM'09 Barcelona, Spain.
D. Faria, J. Patrina, J. Tavares, L. Ribeiro, D. Sousa, J. Oliveira, J. Vale, D.C. Costa.Respiratory movements cause significant misregistration and altered SUVs in thoracic PET-CT studies with 18F-DG. 21º Annual EANM Congress, 2008. EANM'08 Munich, Germany.
JIS Patrina, DAB Faria, A Sevilla, LC Ribeiro, DM Sousa, CA Nunes, PMRR Genésio, JVF Silva, JMP Oliveira, DC Costa. Radiotherapy planning with [18F] - DG PET-CT: technical aspects and preliminary results. 18o Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine - EANM’06, Athens, Greece. (Nomeado para melhor apresentação oral)
…
Trabalhos
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Universidade Católica, Porto
“Estudo comparativo da imagem tiroideia com dois tipos de colimadores – “buracos paralelos” Vs “pinhole”. Caracterização da distância focal da colimação “pinhole”. Ana Dionísio, Escola Superior de Biotecnologia – U. Católica. Tese de Mestrado
“Estudo da velocidade de exposição radioactiva de doentes submetidos a cintigrafia de perfusão do miocárdio após a primeira e segunda injecção do radiofármaco no mesmo dia”. Diana Faria, Escola Superior de Biotecnologia – U. Católica. Tese de Mestrado
“Estudo qualitativo e quantitativo de cintigrafias dinâmicas vs estáticas com DMSA”. Ana Sousa, Escola Superior de Biotecnologia – U. Católica. Tese de Mestrado
Faculdade de Ciências e Tecnologia – Universidade de Coimbra Definition, elaboration and validation of tests in radioactivity measuring devices (Radionuclide “Dose”
Calibrators). André Santos e Rui Martins – Estágios de Verão Definition and implementation of processes for evaluation of the spacial resolution in different points of
images in a gamma camera. André Santos e Rui Martins – Estágios de Verão CÂMARA GAMA: RESOLUÇÃO ESPACIAL, UNIFORMIDADE E CONTRASTE. Carolina Francisco e Mariana -
Estágios de Verão
Colaborações
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Faculdade de Farmácia, Universidade do Porto “ESTUDO DAS VARIÁVEIS QUE INFLUENCIAM A FORMAÇÃO DO COMPLEXO 99Tcm-TETRAFOSMINA E OPTIMIZAÇÃO
DO PROTOCOLO DE PREPARAÇÃO DO RADIOFÁRMACO”, Liliana Martins, Tese de Mestrado
Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto ““Emparelhamento e Alinhamento de Estruturas em Visão Computacional: Aplicações em Imagens
Médicas”., Francisco Oliveira, Tese de Doutoramento.
Faculdade de Medicina, Universidade de Coimbra “INTEGRAÇÃO DA IMAGEM VÍDEO DO PACIENTE NAS IMAGENS DE MEDICINA NUCLEAR”. Francico Caramelo, Tese
de Doutoramento.
Faculdade de Ciências, Unversidade do Porto • "Analise quantitativa de co-registo de PET/RM cerebrais”. Joana Vale, Tese de Mestrado em
Fisica Médica
• IST - Instituto Superior Técnico “Alzheimer's Disease Diagnosis using 3D Brain Images - Exploring new grounds on features extraction and selection” , Eduardo Bicraco, Tese de Mestrado
• Faculdade de Ciências – Universidade de Lisboa “CONTRIBUTO PARA A OPTIMIZAÇÃO DOS ESTUDOS DE PERFUSÃO MIOCARDICA UTILIZANDO IMAGENS DE MEDICINA NUCLEAR SINCRONIZADAS COM O ELECTROCARDIOGRAMA”. Lina Vieira – Tese de Doutoramento
Colaborações
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A área da Análise de Imagem é complexa e exigente mas de elevado interesse em muitos domínios
O processamento e análise de imagem digital constitui um importante desenvolvimento na área da visualização de imagens permitindo melhorar a sua interpretação e realçar aspectos distintos
Programas de processamento e análise de imagem são cada vez mais importantes como ajuda à decisão clínica
Uma boa ferramenta de processamento e análise de imagem leva a resultados mais fiáveis e com menos erros associados ao operador
Práticas de investigação e desenvolvimento podem ser implementadas e desenvolvidas sem comprometer normal funcionamento de um Departamento “movimentado”
A investigação ligada à área das Tecnologias de Medicina Nuclear é uma realidade que contribui para a melhoria dos processos e práticas do serviço a que está associada devendo ser implementada e incentivada.
Conclusões
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Obrigado!
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