Kutatók éjszakája 2015
Számítógép, ami a vesédbe lát!

A Képfeldolgozás és Számítógépes Grafika Tanszék az orvosi képalkotási technológiákat és informatikai módszereket mutatta be 2015. szeptember 25-én megrendezett Kutatók éjszakája rendezvénysorozaton.

Orvosokra mindig is szükség lesz, tudásukat nem kérdőjelezheti meg senki. Azonban segítségükre lehet a legújabb technológia amelyet a mérnökök és az informatikusok fejlesztenek. Ezek az eszközök nem helyettesítik az orvost, csupán olyan lehetőségeket tárnak fel, amelyek korábban nem álltak rendelkezésükre. Ezek a technológiák nem csak az orvoslásban, de az iparban és az oktatásban is szerepet játszanak.

Orvosi képalkotás

Az orvosi képalkotó technikák az 1800-as évek végére vezethetők vissza. Wilhelm Conrad Röntgen 1895-ben és publikálta első munkáját az X-sugarakról. Felfedezéséért 1901-ben fizikai Nobel-díjat kapott.

A különböző diagnosztikai vizsgálatokhoz manapság különböző technológiákat használnak. A csontozat, törések vizsgálatához röntgen felvételeket készítenek. Belső szervi vizsgálatokat CT-vel vagy mágneses rezonancia (MRI) képalkotó eszközökkel végzik, míg az funkcionális vizsgálatokhoz funkcionális MRI-t használnak. A továbbiakban ezekről írunk röviden.

Röntgen felvételek

A röntgen felvételekhez a testet röngen sugárral világítjuk át. A röntgen sugarakat egy erre hullámhosszra érzékeny lemezen fogjuk fel, amelyen ennek hatására egy kép keletkezik. Minél sűrűbb az az anyag, amelyen a sugarak áthaladnak, annál nagyobb a sugarak elnyelődése, és annál sötétebb foltot hagy lemezre érkező sugár a képen.

Kompúter tomográfia és rekonstrukció

A komputer tomográfia a röntgen felvételeknek egy kiterjesztett változata. Míg a röntgen felvételek esetében csak egyetlen vetületi képet készítünk, a komputer tomográfia során több irányból készítünk (vékony) vetületi képeket. Nézzük meg ezt a következő (angol nyelvű) animáción:

A vetületeket az átvilágítási szög függvényében egy "diagramban" ábrázoljuk, amit szinogramnak hívunk. A rekonstrukció során a szinogramból indulunk ki és a vetületeket összegezzük a képen. Minél több vetületet rekonstruálunk annál pontosabban alakul ki a kép.

Mágneses rezonancia (MRI) vizsgálatok

A mágneses rezonancia vizsgálatok a CT-vel ellentétben nem a röntgen sugarakon alapulnak. Az MRI készülék tulajdonképen egy nagy mágnes. A vizsgálat során a pácienst betolják ebbe a cső alakú mágnesbe, majd erős mágneses sugárzásnak vetik alá. Az erős mágneses sugarak hatására az emberi szervezetben lévő protonok a mágneses sugarak irányába állnak be. Ezt követően a mágneses sugarakra merőleges irányú rádiófrekvenciás hullámokat sugároznak az emberi szervezeten keresztül, amellyel 90° vagy 180°-kal elforgatják a protonokat. Miután a rádiófrekvenciás hullámokat megszüntetik, a protonok igyekeznek visszaállni a mágneses tér irányába. Ez azonban energia leadással jár. Ezt a felszabaduló energiát az MRI készülék érzékelői összegyűjtik és ebből alakul ki a kép. Az alábbi (angol nyelvű) videó ezt az eljárást mutatja be:

Orvosi képfeldolgozó eljárások

Az orvosi képfeldolgozásban elsődleges célunk, hogy a képekből információt nyerjünk ki, amelyet utána feldolgozunk a számítógéppel. A kinyert információ alapján meghatározhatjuk a szervek fizikai határait, méretének, szerkezetét, vagy éppen megjeleníthejük őket a számítógépes grafika eszközeivel amely segítheti az orvosokat és jelentős szerepet játszhat az oktatásban is.

Képszegmentálás

A képszegmentálás célja az orvosi képfeldolgozásban az egyes szervek, vagy szerv részletek "kijelölése" a képeken. Erre többféle módszer is létezik. Bizonyos testrészek például intenzitásuk alapján is jól elkülönülnek a többitől, míg vannak olyanok, amelyek nagyon hasonlóak, és szabad szemmel is nehezen különíthetők el egymástól (anatómiai ismeret nélkül). Az egyik leggyakrabban alkalmazott módszer a régiónövelés, amely egy vagy több pontból kiindulva lépésről lépésre terjeszti ki a régió határait. A terjedést bizonyos feltételek korlátozhatják, amelyek gátat szabhatnak a régió "túlfolyásának". Ha jól választjuk meg ezeket a korlátozó feltételeket, akkor a régió, csak a kijelölendő szerv határáig fog terjedni és eredményül a szerv szegmentálását kapjuk. Az alábbi videó egy ilyen eljárást mutat be.

Jellemzőkinyerés

A képelemzés következő lépése a jellemzőkinyerés. A jellemzőkinyerés célja, hogy a szegmentált szervekről valamilyen információt nyerjünk ki. Mivel tudjuk a felvételek felbontását (vagyis, hogy egy képpont hány milliméternek felel meg), ki tudjuk számolni a szegmentált szerv térfogatát. A bemutatónkon is ismertetésre kerülő középvonalak segítségével fel lehet térképezni a csöves szerkezeteket az emberi testben. Ilyen csöves szerkezet az érrendszer, a légút, a tápcsatorna. A szegmentált légút és annak középvonalának segítségével például veg tudjuk mérni a légút keresztmetszét egy adott szelet mentén (ahogy tették ezt kollégáink is).

Vizualizáció

A vizualizáció során a cél az, hogy az egyes szerveket háromdimenzióban megjelenítsük. Egyrészről ha a szervek ki lettek szegmentálva, azokat egy-egy felszín-modellel reprezentálhatjuk. Ilyenkor minden szervet más-más színnel jelölhetünk meg ezáltal jobban elkülönítve őket egymástól. A megjelenítés másik formája a térfogat alapú megjenítés, amely során háromdimenziós képkockákhoz rendelünk valamilyen intenzitást. Manapság a leggyakrabban ezt a technológiát az orvosi anatómiai atlaszoknál szokták alkalmazni. Ha a megjelenített képet ezőlőleg szegmentálták, vagyis minden képkockára megjelölték, hogy melyik szervhez tartozik, a szerveket - mint rétegeket - ki-be lehet kapcsolni, valamint lehet állítani az áttetszőségüket is.

Képregisztráció

A képregisztráció segítségével két (egymáshoz nagyon hasonló) képet illesztünk egymáshoz. A CT képeken a csontok intenzitása nagyon jól elkülönül a lágyszövetekétől és a lágyszövetek intenzitásában nincs nagy különbség, míg az MRI felvételeken a lágyszövetek intenzitása között is domináns különbség vehető észre. A minél nagyobb információ kinyeréséhez szükséges annak a geometriai transzformációnak a kiszámolása, amely a lehető legjobban illeszti egymáshoz a két képet. Ezt nevezzük regisztrációnak. Nem csupán két felvételtípus esetén készülhet regisztráció, hanem ugyanarról a betegről különböző időben készült felvételeket is összeregisztrálhatunk, ezáltal követve pl. a daganatok változását.

Számítógéppel segített műtéttervezés

A számítógéppel segített műtéttervezés az egyik legkorszerűbb és legújabb technikai eljárás az orvoslásban. A célja a gyorsabb gyógyulás elősegítése és a műtét közben fellépő illetve műtét utáni kockázatok csökkentése. Amikor a beteg klinikára kerül és megállapítják a műtét szükségességét, CT illetve MRI felvételeket készítenek róla. Ezekből a felvételekből 3-dimenziós modelleket állítanak elő, amelyeken a sebészek megtervezik a beavatkozást. A cél az, hogy minél kisebb sebet okozzanak betegnek és a műtétet minél pontosabban - ép szöveteket kímélve - hajtság végre. Csonttörés illetve eltört csontok összeillesztése esetén az orvos többféle rögzítést ki tud próbálni a számítógépes modellen anélkül, hogy a beteget bármilyen felesleges beavatkozásnak tenné ki. Az egyes lehetőségek során fizikai terheléstesztre is lehetőséget nyújtanak egyes rendszerek. Miután a beteget a műtétre előkészítették, az orvos elvégzi a beavatkozást. Esettanulmányok azt mutatják, hogy ezzel a módszerrel jelentősen rövidül a felépülési idő.

Szoftverek

ImageJ + Radon transzformációs plugin (képrekonstrukcióhoz)

A programban rajzolhatunk vagy betölthetünk a képet. Ezután elkészíthetünk különböző vetületeket, amelyek szinogram formájában láthatók. Majd következő lépésként a szinogramból rekonstruálhatjuk az eredeti képet. A programot bemutattuk a Kutatók éjszakáján. Az ImageJ program letölthető a honlapról. A kiegészítő program letölthető a honlapról.

3D Slicer

A program segítségével megnyithatunk és 3-dimenzióban is megtekinthetünk orvosi felvételeket. A program tartalmaz néhány képfeldolgozó eljárást is. A program teljesen ingyenes. A programot bemutattuk a Kutatók éjszakáján. A program letölthető a honlapról.

Rejtvények

Rejtvény | Megoldás	Rejtvény | Megoldás

Fotók