Tomographie-SPECT
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<strong>Tomographie</strong>-<strong>SPECT</strong><br />
Vorlesung FH-Hagenberg<br />
SEM<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
<strong>Tomographie</strong>, Schichtbildgebung<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
1
Übersicht<br />
Bildgebenende Modalitäten<br />
– Prinzipien<br />
– Radontransformation<br />
• Bildrekonstruktion<br />
Hippokrates<br />
von Kos<br />
460-375<br />
v.Chr.<br />
– Gefilterte Rückprojektion<br />
– Iterative Methode<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Geschichtliche Entwicklung<br />
Paracelsus<br />
van Swieten<br />
Louis Pasteur<br />
C.W. Röntgen<br />
1493-1541 1700-1772 1822-1895 1895 1971<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
G.Hounsfield<br />
2
C.W. Röntgen<br />
Röntgenstrahlung<br />
1895 Beginn der<br />
diagnostischen Bildgebung<br />
Labor in Würzburg Erste Aufnahme einer Hand<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Röntgen - Computertomographie<br />
Abbildung eines Bronchialkarzinoms mit<br />
verschiedenen Modalitäten<br />
Planares Lungenröntgen<br />
projektive Geometrie<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Guido Holzknecht<br />
Pionier der<br />
Radiodiagnostik<br />
CT Schichtbild der Lunge<br />
exakte Darstellung der Organe<br />
3
Computertomographie:<br />
Schichtabbildungsverfahren<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Positionsbestimmung aus Projektionen<br />
Die Abbildung des Objektes aus mehreren Blickwinkeln ermöglicht<br />
die Bestimmung der Positionen der Objekte anhand der Projektionen.<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
4
Schichtabbildungsverfahren<br />
•Patient wird schichtweise<br />
abgebildet<br />
•Schicht wird durch axiale<br />
Position von Röntgenquelle<br />
und Detektor definiert<br />
•Innerhalb der Schicht<br />
werden Projektionen aus<br />
verschiedenen Winkeln<br />
gemessen.<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Projektionen von verschiedenen<br />
Winkeln und Positionen<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
p =<br />
ln( I0<br />
/ I)<br />
5
Quelle-Detektor-Paar rotiert um<br />
den Patienten<br />
CT: Prinzipien<br />
Meßdaten sind Projektionen des<br />
Objekts in bestimmten Winkeln<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Schwächung von Röntgenstrahlung<br />
durch Materie<br />
• Schwächung = Entfernung von Rö-Quanten<br />
aus dem Strahl<br />
–Absorption<br />
• Photoeffekt, Paarbildung<br />
– Streuung<br />
• elastische + inelastische Streuung<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
6
Steigende Energie<br />
Physikalische Effekte<br />
• Photoeffekt<br />
• Elastische Streuung (Thompson)<br />
• Inelastische Streuung (Compton)<br />
• Paarbildung<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Physikalische Effekte<br />
Photoeffekt<br />
Elektron wird aus Hülle geschlagen.<br />
Effekt tritt nur bei bestimmten<br />
Quantenenergien auf.<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
7
Streuung<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Paarbildung<br />
Elastische (Thompson) Streuung:<br />
Quant wird abgelenkt, Energie bleibt<br />
erhalten<br />
elastisch<br />
inelastisch<br />
Inelastische (Compton) Streuung:<br />
Quant wird abgelenkt, gibt Energie<br />
an Elektron ab<br />
Paarbildung<br />
Das einfallende Röntgenquant besitzt eine Energie, die größer als die<br />
Ruheenergie von 2 Elektronen ist (>1022 keV). In Kernnähe<br />
(Impulserhaltung) wird es in ein Elektron und Positron, die sich gegenläufig<br />
(~180 o ) auseinander bewegen ungewandelt.<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
8
I 0<br />
I<br />
=<br />
Schwächungsgesetz<br />
homogen inhomogen<br />
kontinuierlich<br />
μ μ(x)<br />
I I I0 I<br />
d<br />
oe I<br />
−μd<br />
I<br />
I 0<br />
=<br />
oe I<br />
−<br />
∑<br />
μ Linearer Schwächungskoeffizient<br />
i<br />
μi ⋅Δx<br />
∫ x dx<br />
= oe I I<br />
μ ( )<br />
0<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Radon Transform<br />
Projection or data acquisition. Information about the<br />
object is integrated along the line L and transformed<br />
into a point-information according to its co-ordinates l<br />
and Θ.<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
d<br />
9
Sinogram<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
<strong>Tomographie</strong>: 2-stufiges Abbildungsverfahren<br />
Objekt scannen Sinogramm Rekonstruktion<br />
Schichtbild<br />
Sinogramm<br />
FBP<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Schichtbild<br />
10
Emissionstomographie<br />
• <strong>SPECT</strong>, PET<br />
• Radiotracer in Körper injiziert<br />
• Akkumulation in Tumoren<br />
• Visualisierung des Stoffwechsels<br />
<strong>SPECT</strong><br />
Nierenstenose<br />
Tc99m<br />
10s/frame<br />
120 frames<br />
64x64 pixel<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Emissions-<strong>Tomographie</strong><br />
PET<br />
Verteilung von radioaktivem Tracer wird abgebildet<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
11
Photomultiplier<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Detektor-Ring PET<br />
Photomultiplier (PMT)<br />
Elektronen schlagen aus<br />
den Dynoden weitere<br />
Elektronen heraus.<br />
Beschleunigung<br />
zwischen den Dynoden<br />
durch Hochspannung<br />
Lawinen-Effekt<br />
Am Ausgang liegt<br />
messbares Signal an.<br />
PET-Detektorring besteht aus kreisförmig angeordneten<br />
Detektorblöcken<br />
Detektorblock: 64-Szinitlations-Kristalle gekoppelt mit jeweils<br />
4 PMTs. Kristalle hohen Schwächungskoeffizient -> große<br />
Ausbeute<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
12
Projektionen<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Results - perfusion I<br />
<strong>SPECT</strong><br />
120 projections/360 degrees<br />
40s / step<br />
128x128 matrix<br />
pixelsize 2.33 x 2.33 mm 2<br />
LEUHR-PAR collimator<br />
740 MBq Tc99m<br />
MR-FLAIR<br />
Matrix 256x256x25, 0.9x0.9x5.5mm 3<br />
transaxial<br />
Kameraköpfe rotieren<br />
360 o um den Patienten<br />
und detektieren ein<br />
Projektionsbild.<br />
coronal<br />
sagittal<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
13
Results - perfusion II<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Results – beta-CIT I<br />
• <strong>SPECT</strong>: 120 projections/360 degrees<br />
• 128x128 matrix<br />
• pixelsize 2.33 x 2.33 mm 2<br />
• LEHR-PAR collimator, 185 MBq I123<br />
• MR-T2: 336x384x25, 0.6x0.6x6 mm 3<br />
transaxial<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
coronal<br />
sagittal<br />
14
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Modernes PET-CT<br />
Results – beta-CIT II<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
15
Modernes PET-CT<br />
PET ist Grundlage moderne Tumor-<br />
Diagnostik.<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Magnetresonanz <strong>Tomographie</strong><br />
Verteilung von<br />
H-Protonen wird<br />
abgebildet.<br />
Durch dynamische<br />
Magnetfelder werden<br />
Kerne in bestimmten<br />
Regionen angeregt<br />
Emittierte Signale<br />
zeigen die Position<br />
der Kerne<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
16
MRI: Schichtselektion<br />
• Lamor Frequenz<br />
ω<br />
= γ ⋅<br />
Gyromagnetisches<br />
Verhältnis (Kernart)<br />
B<br />
Magnetfeld<br />
H-Protonen in Schicht<br />
„schwingen“ mit 90 MHz<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
MRI: Lesegradient<br />
• Resonanzfrequenz<br />
einstrahlen<br />
• Kerne in höheres<br />
Energie Niveau<br />
• Kerne geben<br />
Energie wieder ab<br />
(Relaxation)<br />
• Lesegradient<br />
N<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
L z<br />
ω<br />
G z<br />
17
Vergleich von ECT, CT, MRI<br />
ECT CT<br />
MRI<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Raw-Data<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Simultane<br />
Projektion der<br />
Nuklidverteilung<br />
in mehreren<br />
Schichten<br />
18
Sinogramm<br />
Sinogramme<br />
der einzelnen<br />
Schichten<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Slices<br />
Rekonstruierte<br />
Schichten<br />
Parameter:<br />
FBP,generalized<br />
Hamming<br />
window, a=0.5,<br />
sinc<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
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<strong>Tomographie</strong>: 2-stufiges Abbildungsverfahren<br />
Objekt scannen Sinogramm Rekonstruktion Schichtbild<br />
Sinogramm<br />
FBP<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Direkte Rückprojektion<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Schichtbild<br />
• Profile werden entsprechend ihrer<br />
geometrischen Position rückprojiziert<br />
• In jedem Pixel werden die durchgehenden<br />
Projektionsstrahlen aller Winkel addiert<br />
• Verschmiertes Bild<br />
(r,φ)<br />
–PSF=1/r<br />
l<br />
n<br />
θ<br />
f ( r,<br />
) = p(<br />
r * cos( ϕ −ϑ<br />
), ϑ )<br />
ϕ ∑<br />
i=<br />
1<br />
i<br />
i<br />
20
Backprojection<br />
• Projektionswerte werden entlang der Integralpfade in die<br />
Bildebene projiziert<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Direkte Rückprojektion<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
21
Direkte Rückprojektion<br />
Testdaten: Kreisring<br />
Profile direkt rückprojiziert<br />
Resultat: verwischte<br />
Bildstrukturen<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Principles of tomographic imaging<br />
direct back-projection<br />
2 step process: projection -> reconstruction<br />
filtered back-projection<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
22
Gefilterte Rückprojektion (FBP)<br />
• Rampenfilter der Projektionen<br />
• Verschmierungen beseitigt<br />
• Rampe verstärkt hohe Frequenzen<br />
– Überschwingen an Kanten<br />
– Betonung des Rauschens (<strong>SPECT</strong>,<br />
schlechtes SNR in Projektionsdaten)<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
FBP<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
23
Gefilterte Rückprojektion<br />
Testdaten: Kreisring<br />
Profile werden vor der<br />
Rückprojektion mit einem<br />
Rampenfilter modifiziert<br />
Resultat: scharfe Kanten<br />
Bildgebende Verfahren in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Hounsfield 1971<br />
Sir G. Hounsfield stellt 1971 den ersten klinischen CT vor. Die<br />
Aufnahme einer Schicht (81x81Pixel) benötigt ca. 10 min. Die<br />
Aufnahme zeigt ein Gehirn mit einer Zyste. Er erhält dafür 1979<br />
gemeinsam mit Allan Cormack den Nobelpreis.<br />
Bildgebende Verfahren in der Medizin Werner Backfrieder<br />
24
Rampenfilter<br />
Profil<br />
Spektrum<br />
Rampenfilter<br />
gefiltertes<br />
Spektrum<br />
rampengefiltertes<br />
Profil<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Filtered backprojection: window and filter functions<br />
bandlimiting Hamming Hanning<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
25
Filter: generalized Hamming<br />
Window<br />
Alpha=1 Alpha=0.7 Alpha=0.5<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Filter: gen. Hamming--Wiener<br />
Gen. Hamm., a=0.5 Wiener, cut-off=0.5<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
26
Interpolation<br />
Linear Interpolation Sinc Interpolation<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Röntgen CT<br />
Gesamte Skala Knochen Fenster Weichteil Fenster<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
27
Kernspin-<strong>Tomographie</strong><br />
MRI: T1 gewichtet MRI: T2 gewichtet<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
Tomographische Modalitäten<br />
CT <strong>SPECT</strong> MRI<br />
Digitale Bildverarbeitung in der Medizin Werner Backfrieder<br />
28
Change language