Vidět znamená vědět. O práci s obrazovými daty v medicíně

Tomáš Soukup  |  Technika

Zpracování obrazových dat v medicíně je jedním z pilířů moderní diagnostiky. Co dnes nabízejí počítače při analýze výsledků vyšetření?

Současná medicína se neobejde bez počítačového zpracování obrazových dat. Jsou to obrazy, které jsou získávány z různých modalit, tedy vyšetření. Může to být například ultrazvuk, počítačová tomografie (CT), magnetická rezonance (MR) a další metody.

Díky zobrazovacím metodám je možné neinvazivně zobrazovat tkáně v lidském těle, ať již se jedná o mozek, srdce, cévní soustavu či kosti. Každá metoda má své přednosti a také nevýhody, více viz dříve publikovaný článek na VTM, který přibližuje jednotlivé metody zobrazení.

Základem je DICOM

Standardem pro medicínské zobrazování je DICOM, ustanovený v roce 1993. K prohlížení a analýze těchto dat je k dispozici řada programů. Základní zobrazení zvládnou i běžné grafické editory a prohlížeče, jako například XnView, avšak k pokročilé lékařské analýze je třeba specializovaný software.

Jedním z dostupných je například DicomWorks, o kterém budu psát i v tomto článku. Je k dispozici zdarma, pro tvorbu prezentací v PowerPointu a náhledy ve složkách je nutné zaslat poplatek. U tohoto programu je jedno, zda do něj načteme obraz z ultrazvuku, CT či například pozitronové tomografie.

V tom je hlavní výhoda DICOM – jeden formát je určen pro všechny zobrazovací metody. Umožní takřka stejně přistupovat k analýze obrazu, ať již byl pořízen jakoukoli vyšetřovací metodou. DICOM kromě obrazu nese také spoustu užitečných metadat o obraze, např. informace o pacientovi, o přístroji, technické parametry obrazu atd.

K čemu je kalibrace

Základem analýzy obrazu je jeho kalibrace. Spočívá v určení skutečné velikosti vzhledem k zobrazení na monitoru. Většina obrazů zobrazuje nativní škálu rozměrů, dle které určíme skutečné vzdálenosti. Musíme stanovit, jaká vzdálenost odpovídá skutečným rozměrům. Určíme třeba, jaká vzdálenost odpovídá reálným deseti centimetrům v obraze. To je velmi důležité k další analýze, abychom mohli správně měřit vzdálenosti, plochu, úhly a další parametry.

Kalibrace obrazu určuje skutečné rozměry v obraze
Kalibrace obrazu určuje skutečné rozměry v obraze

Většina medicínských obrazů používá škály šedi. Informace jsou zobrazené v hodnotách intenzity v rozsahu 0 (černá) až 255 (bílá). Tomu také odpovídá histogram obrazu, který je pro obrazy ve škále šedi jeden a zobrazuje četnost pixelů o dané intenzitě. Mnoho operací zpracování obrazu je založeno na analýze histogramu.

Intenzita jednoduše odpovídá hustotě tkáně. V případě ultrazvuku se jedná o tzv. echogenitu, tedy schopnost odrážet ultrazvukové vlny. U CT se hustoty tkání vyjadřují v tzv. Hounsfieldových jednotkách (HU; Hounsfield´s Unit) v rozsahu –1000 až +3000 HU. Podívejte se například na zobrazení CT obrazu s tabulkou HU pro vybrané tkáně.

  • vzduch: –1 000 HU
  • tuk: –50 až –100 HU
  • voda: 0 HU
  • krev: 40 až 60 HU
  • játra: 40 až 60 HU
  • chrupavka: 80 až 130 HU
  • kost: 1 000 až 3 000 HU
Zobrazení CT obrazu v programu DicomWorks
Zobrazení CT obrazu v programu DicomWorks

Kdo měří, ten ví

Programy jako DicomWorks nabízejí lékařům i další užitečné nástroje k analýze obrazů. Za předpokladu správné kalibrace obrazu lze měřit vzdálenosti, úhly a také plochu. Software poskytuje také možnost pracovat pouze ve vyznačené oblasti zájmu (ROI; Region of Interest). Lékaře často zajímá pouze určitá část obrazu.

Mezi nástroji k analýze dat nechybí měření plochy, vzdálenosti, analýza histogramu a práce v ROI
Mezi nástroji k analýze dat nechybí měření plochy, vzdálenosti, analýza histogramu a práce v ROI

DicomWorks umí také automaticky zvýraznit určité struktury na základě metadat obsažených v DICOM. To poskytuje lékaři lepší zaměření na určité anatomické detaily v obraze.

Mezi možnostmi analýzy nechybí ani detekce hran, měření vzdálenosti a oblasti ROI
Mezi možnostmi analýzy nechybí ani detekce hran, měření vzdálenosti a oblasti ROI
Zvýraznění určitých struktur a analýza histogramu obrazu
Zvýraznění určitých struktur a analýza histogramu obrazu

A třeba v případě zobrazení MR může lékař měřit vzdálenosti mezi jednotlivými strukturami hlavy.

Pomocí měření vzdálenosti lze měřit také například rozměry obličeje
Pomocí měření vzdálenosti lze měřit také například rozměry obličeje

Barevná medicína

Kromě obrazů ve škále šedi se setkáme také s plnobarevnými obrazy. Používají se například v ultrazvukové kardiologii či angiografii (zobrazování cév). Díky barevným obrazům může lékař sledovat průtok krve cévami a zobrazit tzv. průtokovou křivku, jež průtok charakterizuje.

Dalším z příkladů použití je barevná sonografie v kardiologii. Pomocí barevného rozlišení jednotlivých struktur můžeme sledovat srdeční činnost a vyloučit tak například arytmii, tachykardii či bradykardii. Viz následující obrázek. Také u barevných obrazů lze sledovat plochu, měřit vzdálenosti a provádět další úlohy.

Barevné medicínské obrazy umožní lépe odlišovat jednotlivé struktury a sledovat činnost
Barevné medicínské obrazy umožní lépe odlišovat jednotlivé struktury a sledovat činnost

Barevné obrazy najdeme také při zvýraznění struktur kontrastními látkami podanými před vyšetřením. Barev se využívá i pro 3D modelování či virtuální angioskopii, která umožní doslova „průlet cévami“ v prostorovém zobrazení. A také pro modelování vizualizací povrchů. Představu o možnostech 3D renderingu v medicíně přibližuje video:

Někdy jeden obraz nestačí

V rámci vyhodnocování obrazů často také lékaři využívají korelační analýzu. Spočívá ve stanovení míry shody detekce nálezu, například mezi snímky z různých přístrojů či mezi různými zobrazovacími metodami.

Používá se taktéž fúzování obrazů, kdy se spojí data z různých modalit – třeba ultrazvukový a CT obraz, kdy se můžete setkat se zkratkou SonoCT. Nebo spojení SPECT (tomografická scintigrafie) s CT či PET (SPECT-PT, SPECT-PET). Každé zobrazení má své přednosti i nedostatky a pomocí fúze můžeme lépe detekovat nálezy z obou metod.

Diferenciální diagnostika zase spočívá ve sledování vývoje nálezu v čase u stejného obrazu. Lze tak u stejného pacienta srovnávat nález během delšího časového období; v rámci týdnů nebo třeba i let.

Zpátky ni krok

Moderní medicína se neobejde bez zobrazovacích metod a následného zpracování těchto obrazů. Analýza začíná u 2D obrazů ve škále šedi, u nichž může lékař pomocí speciálního softwaru zjistit mnohé údaje o ploše, vzdálenostech a úhlech v obraze. Velká část zpracování obrazů se odehrává pouze v určité oblasti ROI spolu s analýzou hustoty tkání pomocí histogramu. Barevné obrazy odlišují lépe jednotlivé struktury a pomocí výkonného hardwaru lze modelovat 3D vizualizace.

Velkou výhodou je standard DICOM, se kterým můžeme jednotně zobrazovat a analyzovat obrazy z různých zobrazovacích metod. Analýza obrazových dat je velmi cenným nástrojem pro lékaře a umožní tak spolehlivou a včasnou diagnostiku patologií a také možnost pro dlouhodobé sledování změn.

Nejčtenější