Aula01_RD

Radiologia DigitalRadiologia DigitalRadiologia DigitalRadiologia DigitalAula 1Aula 1

Prof. Walmor Cardoso Godoi, M.Sc.http://www.walmorgodoi.com

Curriculum Vitae• Walmor Cardoso Godoi, graduado em Física pela Universidade Federal do

Paraná em 2002, Mestrado em Engenharia - Ênfase: Materiais (Radiologia Digital em Aplicações Industriais) na mesma instituição, em 2005. Atualmente é doutorando na UFPR no mesmo programa onde conclui o mestrado desenvolvendo seus trabalhos na área de Tomografia Industrial no LACTEC.

• Atua também como professor na Faculdade de Tecnologia Camões, onde leciona aulas no curso de Tecnologia em Radiologia Médica (disciplinas Radiologia Digital, Tomografia Computadorizada e Ressonância Magnética, Radiologia Industrial, Medicina Nuclear).

• Professor do curso de Automobilística na Universidade Positivo.• Atua na área de tomografia tridimensional, radiografia digital, processamentoAtua na área de tomografia tridimensional, radiografia digital, processamento

digital de imagens, reconhecimento de padrões, redes neurais, visualização científica e em desenvolvimento de softwares (C++ e Java). Possui projetos em Econometria também com a MD Consulting (São Paulo).g ( )

Agenda

1. A Estrutura do Curso2 I t d ã2. Introdução

1. O que é a Radiologia Digital (RD)?2 V t d t d RD2. Vantagens e desvantagens da RD

3. A Imagem Digital4. Processamento Digital de Imagens (PDI)

1. Etapas de PDI2. A Imagem Digital3. Realce e Filtros em Imagens

5. Formação da Imagem

Estrutura do Curso1. Introdução à Radiologia Digital2. A imagem digital e etapas de PDI3 D t t di it i d i X3. Detectores digitais de raios X 4. Restauração de Imagens digitais5 Segmentação de Imagens5. Segmentação de Imagens6. Formação de Imagens 2D e 3D7 DICOM (Digital Imaging and Communications in7. DICOM (Digital Imaging and Communications in

Medicine)8. PACS (Picture Archiving and Communication System) ( g y )9. CAD (Computer Aided Diagnostic)

METODOLOGIAMETODOLOGIAAulas expositivas, estudo de artigos (sinopses) e práticas de laboratório (GIMP e softwares da área).

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

• Com o surgimento da Tomografia Computadorizada (TC) nos anos 70 iniciou-se o uso de imagens digitais no diagnóstico g g gmédico e, com o desenvolvimento tecnológico (surgimento e evolução dos PCstecnológico (surgimento e evolução dos PCs nos anos 80) diversas modalidades di ó ti tili idiagnósticas passaram a utilizar imagens digitais.

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

• O desenvolvimento de novos i d ãsistemas de computação,

programas mais amigáveis para o á i á iusuário, máquinas com extensa

capacidade de processamento e i ãarmazenamento e comunicação

através da internet, torna cada vez i i di iá i dmais indissociáveis os campos da

radiologia e diagnóstico por i t ãimagem com a computação (SALES, 2002).

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

• As primeiras imagens radiográficas digitais produzidas foram realizadas através da conversão via leitores "scanners" ou câmeras de vídeo, sendo o processo de conversão de mídia física para digital noconversão de mídia física para digital no seu início caro e difícil de ser realizado (WATANABE t l 1999)(WATANABE et al., 1999).

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

• Existem alguns requisitos básicos– o sensor dever ser grande o suficiente para

mostrar no mínimo um dente e suas estruturas anexas,

– a dose de radiação utilizada não deve excedera dose de radiação utilizada não deve exceder aquela utilizada para produção de imagem similar com filmes convencionais,similar com filmes convencionais,

– o sensor utilizado deve suportar esterilização a frio ou com soluções desinfetantesfrio ou com soluções desinfetantes,

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

• as propriedades da imagem obtida devem ser iguais ou melhores às obtidas com filmes convencionais

• os dados digitais devem ser acessíveis a um computador pessoal e devem sercomputador pessoal e devem ser armazenados sem perda da qualidade ou da informação (NELVIG, WING, WELANDER, 1992).)

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

• O conceito de imagem radiográfica digital utilizado h j t d à l l i i li dhoje, entende-se àquele no qual a imagem visualizada em um monitor é obtida de duas maneiras:

di t t é d i t d– direto: através de sistemas com ou sem o uso de filmes radiográficos (Flat Panels),i di t i b id é d di i li ã– indireto:a imagem obtida através da digitalização via scanner sendo este método também chamado de sistema híbrido (Image Plates)de sistema híbrido (Image Plates)

(WATANABE et al., 1999; ATTAELMANAN, BORG, GRONDAHL, 2000).

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

Sistema Direto Sistema Indireto

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

• Os primeiros aparelhos de radiografias digitais diretos surgiram nos anos 80, com o lançamento comercial do RVG, pela Trophy ç , p p yem 1988.

• A partir de então vários sistemas foram• A partir de então vários sistemas foram lançados comercialmente sendo as vantagens e desvantagens destes exaustivamente discutidas na literatura

(NELVIG, WING, WELANDER, 1992; ROMANS, 1995; FREITAS, ROSA, SOUZA, 1998).

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

As vantagens dos sistemas de radiografia digitais:• 1º) Facilidade de exibição da imagem – Na

radiografia digital a imagem vai ser mostrada em um monitor de vídeo, em vez do processo tradicional de expor o filme contra a luz.

• 2º) Redução da dose de raios-X – Ajustando-se a dose para que a imagem tenha uma relação sinal p q g çruído conveniente, consegue-se uma diminuição real da radiação absorvida pelo paciente. ç p p

IntroduçãoIntroduçãoO que é a radiologia digital?O que é a radiologia digital?

• 3º) Facilidade de processamento de imagem – O aumento do contraste ou a equalização por histograma são técnicas digitaiscontraste ou a equalização por histograma são técnicas digitais que podem ser usadas. A técnica de subtração de imagens pode remover grande parte da arquitetura de fundo não desejado, melhorando assim a visualização das características importantes da radiografia.

• 4º) Facilidade de aquisição armazenamento comunicação e• 4 ) Facilidade de aquisição, armazenamento, comunicação e recuperação da imagem – Armazenamento em bases de dados eletrônicas, facilitando a pesquisa de dados e a transmissão para longas distâncias, usando redes de comunicações de dados.

• 5º) Uso de Inteligência Artificial (Redes Neurais, por exemplo) para auxiliar no diagnóstico médico Isso já é umaexemplo) para auxiliar no diagnóstico médico – Isso já é uma realidade em muitos países (sistemas CAD)

Algumas considerações

• O uso de pequenas doses de radiação para obtenção de imagens com valor diagnóstico é um dos maiores fatores para o emprego da p p gradiologia digital;

• A capacidade de criação de bancos de dados• A capacidade de criação de bancos de dados e softwares de educação continuada deve ser estimulada com o uso da imagem digital;g

Algumas considerações

• Esforços devem ser realizados no sentido de minimizar o custo dos sistemas de radiografia digital;g g ;

• Pesquisas devem ser conduzidas no intuito de minimizar ou extinguir as atuaisde minimizar ou extinguir as atuais limitações dos sistemas comercialmente disponíveis, tornando-os assim acessíveis aos clínicos;

A Imagem DigitalA Imagem DigitalPor que?Por que?

Exemplos de aplicações:• Automação e visão artificial

(bioponto, código de barras, etc)• Reconhecimento de caracteres

OCR ( l b dOCR (scanners, lombadas eletrônicas)

• Análise de cromossomos (bioinformática) ( )

• Mapeamento de terrenos (Geoprocessamento)

• Inspeção industrial (defeitos em t l d lid d )peças, controle de qualidade)

• Análise de imagens de satélites• Medicina

Etapas de um sistema de PI

Aquisição

• As imagens são adquiridas por um dispositivo: câmera, scanner, satélite, etc e convertidas em uma imagem digitalg g

Pré-Processamento

• Realiza a restauração das imagens, corrigindo eventuais degradações ou imperfeições que ocorrem durante a p ç qaquisição

• Causas de degradação: iluminação• Causas de degradação: iluminação, eletrônica do sistema (ruídos) ou má operação do equipamento

Segmentação

• Realiza a extração e identificação de áreas de interesse contidas na imagem. Detecção de continuidades (bordas) e similaridades ( )(regiões)

Representação e Descrição

• Estruturas adequadas são criadas para armazenar os objetos de interesse extraídos da imagemg

Interpretação

• Permite obter o reconhecimento dos objetos extraídos a partir de suas características (posição, formato, cor). É uma etapa de (p ç , , ) protular os objetos.

Imagem Digital 2D

• Imagem digital é uma f ã 2D f( )

(x,y)função 2D f(x,y)

xx

6 4 5 6 8

pixely9 0 4 8 5

3 2 3 4 2

9 2 3 6 1f(x,y)

9 2 3 6 1

7 8 9 0 4

Pixel: Picture Element

Imagem Digital Tridimensional

Voxel: Volume Element

Voxel e Pixel

Formação da Imagem

Média da atenuaçãoIntensidade da fonte de raios x

Digitalização: Amostragem eDigitalização: Amostragem e QuantizaçãoQuantização

• Amostragem (Resolução Espacial): Consiste emEspacial): Consiste em discretizar o domínio da imagem em nas direções x

d t ie y, gerando uma matriz MxN.

Digitalização: Amostragem eDigitalização: Amostragem e QuantizaçãoQuantização

Quantização (Profundidade ou Tons de Cinza): Consiste em )escolher um número inteiro L de níveis de cinza permitidos para cada ponto (para cada pixel)cada ponto (para cada pixel)

Digitalização: Amostragem eDigitalização: Amostragem e QuantizaçãoQuantização

xLx

y

Imagem 2 bits: 21=2 níveis de cinza Imagem 8 bits: 28= 256 níveis de cinza

12ão e

m x

0 255

Imagem 12 bits: 212=4096 níveis de cinza

Posi

çã

Resolução Espacial e ProfundidadeResolução Espacial e Profundidade de Imagem g

Imagem com e I LImagem com e L=n níveis de cinza

Imagem com e L=n níveis de cinza em cada banda (Imagem Colorida)

Resolução Espacial

Níveis de Cinza (profundidade)

Colorida RGB (3x256 tons)

Grayscale ou Tons de Cinza(256 tons)

Imagem Binária (2 tons – B ou W)) ( ) )

Resolução espacial

L=256 L=128L 256 L 128

L=64 L=32

Profundidade

L=16 L=8

L=4 L=2

Nosso Sensor de ImagensO Olho Humano

Cones7 milhões, Três tipos, pFóveaCor

Bastonetes125 milhões125 milhõesDiferem intensidade

Organização da retina: A retina capta os sinais luminosos e os transforma em impulsos nervosos. p p A retina contém dois tipos diferentes de fotorreceptores: cones (rodopsina)

e bastonetes.

Física da corFísica da cor

Do ponto de vista perceptual, os diferentes comprimentos de onda estão associados a diferentes cores.

E i í l 380 780Espectro visível: 380 a 780 nm

• Violeta: 380 - 440 nm• Azul: 440 - 490 nm• Verde: 490 - 565 nm• Amarelo: 565 - 590 nm• Laranja: 590 - 630 nm• Vermelho: 630 - 780 nm• Raios-X 0,01 - 10 nmRaios X 0,01 10 nm

O olho humano

Sistema Visual Humano

Cores no Computador

Ilusões

Relacionamentos básicos entre osRelacionamentos básicos entre os elementos de uma imagem digitalelementos de uma imagem digital• Vizinhança

Relacionamentos básicos entre osRelacionamentos básicos entre os elementos de uma imagem digitalelementos de uma imagem digital• Conectividade - determinar se são vizinhos

(viz-4 ou viz-8)• Adjacência -Adjacência

• Caminho• Caminho

Borda e interior

Operações Lógicas e AritméticasOperações Lógicas e Aritméticas

• Subtração de duas imagens:Útil para diferenças entre imagens– Útil para diferenças entre imagens

• Adição de duas imagens

IMAGEM 2

IMAGEM 1 IMAGEMFINALOperação

M l i li ã l

IMAGEM 2 N

• Multiplicação por um escalar

Operações Lógicas e AritméticasOperações Lógicas e Aritméticasentre Imagens Digitaisentre Imagens Digitais

Subtração (para segmentação)

• Exemplo de aplicação em mamografia

Operações Lógicas e Aritméticas

Té i d R l d ITé i d R l d ITécnicas de Realce de ImagensTécnicas de Realce de Imagens

IMAGEM FILTRO IMAGEMIMAGEMORIGINAL FILTRO IMAGEM

FINALf(x,y) g(x,y)

• Domínio espacial

( ,y) g( ,y)

Domínio espacialAtuam no domínio da imagem (pixels e vizinhança)

• Domínio de freqüênciaFiltros Topológicos. Atuam diretamente no espaço de cor (tons de cinza) das imagens. Em geral utilizam a técnica de convolução.

Qualidade de ImagensExemplo de medida para verificar a qualidade de uma imagem

Contraste

L=58L=50 L=113 L=138

( )/( )C= (58-50)/(58+50)C=0.074 ou 7,4%

C= (138-113)/(138+113)C= 0.10 OU 10%

Histograma• O contraste numa imagem pode ser

avaliado olhando seu histograma. Oavaliado olhando seu histograma. O Histograma é a distribuição do número de pixels em função do nível de cinza

L=58L=50 L=113 L=138

Histograma de uma imagemg g

A é d i li ã d hi d i b éAtravés da visualização do histograma de uma imagem obtém-se uma

indicação de sua qualidade quanto ao nível de contraste e quanto ao seu

b ilh édi ( i é d i l )brilho médio (se a imagem é predominantemente clara ou escura).

Histograma

Histograma de uma imagemHistograma de uma imagem

Equalização do histograma•Equalizar o histograma significa obter a máxima variância do histograma de uma imagem, obtendo assim uma imagem com o melhor contrastecontraste. •O contraste é uma medida que está relacionada com a distribuição dos tons de cinza em uma imagem. •Para equalização do histograma trabalhamos com três técnicas•Para equalização do histograma, trabalhamos com três técnicas distintas: equalização global, equalização regional por blocos e equalização regional pontual.

Equalização do histograma

Exemplo de equalização do histograma

Equalização do HistogramaEqualização do Histograma

Equalização do histograma

Trindade,M M P V , FEUP, 2008.

• FIM