Ingeniería de la Salud Presentación asignatura “IMAGENES BIOMEDICAS” Pedro Real 2013-14

Modalidades de imágenes médicas

Radiografía Aplicaciones y aparatos Es la imagen médica más extendida y rápida. Las zonas blancas son las de más densidad de tejido. Existen multitud de variantes de aparatos de rayos X (radiógrafos) según la zona del cuerpo: Dental, pulmonar, de extremidades, mamografía, etc.

Radiografía Fundamentos físicos Basada en las propiedades de los rayos X. Ondas electromagnéticas o fotones capaces de atravesar objetos opacos. Descubiertos en 1895 por W.C. Roentgen. Dos efectos fundamentales: Fotoeléctrico y Compton

Radiografía Se hace pasar un haz de rayos X a través del paciente, tras el cual se coloca una película radiológica sensible a estos rayos. Según el grosor y el tipo de tejido, los rayos son absorbidos por éste en mayor o menor grado. La parte no absorbida incide en la película radiológica y la impresiona. Regulando voltaje e intensidad de corriente se consiguen distintas profundidades de penetración de los rayos. Generador de rayos X Filtro Diafragma Haz de rayos X Rejilla Película fotográfica Paciente

Radiografía Generadores El tubo de rayos X funciona de forma similar a una bombilla, con un ánodo de wolframio o tungsteno y un cátodo emisor de e- (por efecto electrotérmico) Voltaje de 20 a 150 KV (hasta 300 KV en caso de terapia) Intensidad de corriente: tiempo de irradiación (mA·s) La exposición a rayos X es perjudicial para la salud Depende de varios factores (tiempo, zona expuesta, etc)

Radiografía Transductores En la radiografía clásica (analógica) se usan películas sensibles a los rayos X, que han de ser reveladas. En la radiografía digital se usan dos métodos: Digitalizando radiografías analógicas. Directamente, mediante placas de fluoharuros de bario. Los rayos hacen a los electrones de la placa pasar a una capa superior Con un láser se logra que vuelvan a su estado, emitiendo luz azul. Esta luz se convierte en señal eléctrica mediante un fotomultiplicador. Rejilla Placa Paciente Fotomultiplicador Señal eléctrica

Angiografía digital Aplicaciones y aparatos La angiografía digital se usa para el estudio de los vasos sanguíneos. Los aparatos diseñados para este fin se denominan angiógrafos digitales.

Angiografía digital Fundamentos físicos Basada en rayos X y en contrastes radiológicos. Los contrastes son sustancias muy opacas a los rayos X. Normalmente se emplean disoluciones de yodo por vía intravenosa. Se obtiene la imagen resultante de la resta de dos imágenes: antes y después de inyectar el contraste. a) Antes del contraste b) Después del contraste c) Sustracción de b – a

Angiografía digital Generadores Transductores Al basarse en rayos X, se utilizan los mismos tubos que éstos, aunque suelen ser de menor potencia. Transductores Se utilizan cámaras de vídeo digital que obtienen la imagen en tiempo real. Pueden ser de varios tipos: Cámaras de haces de electrones (vidicón, plumbicón, etc) Funcionan detectando variaciones conductividad por barridos. Cámaras CCD Basadas en semiconductores que detectan el acoplamiento de carga.

Tomografía axial computerizada Aplicaciones y aparatos Obtención de radiografías tridimensionales. Las convencionales tienen varios inconvenientes, al ser 2D: No distinguen objetos superpuestos que estén en planos diferentes No reflejan bien el tamaño, ya que éste depende de la profundidad A los aparatos que obtienen y procesan estas imágenes se les denomina escáneres de TAC. El primero fue inventado por Godfrey Hounsfield (de la compañía EMI) en 1973, aunque la idea original es de 1963.

Tomografía axial computerizada Fundamentos físicos Se basa en tomar múltiples radiografías desde distintos puntos alrededor del paciente. A cada una de ellas se le aplican ecuaciones matemáticas para simular un cuerpo tridimensional a partir de las rodajas bidimensionales obtenidas.

Tomografía axial computerizada La técnica ha ido evolucionando, mejorando cada vez más la velocidad y resolución de imagen, lo que a su vez minimiza el riesgo por exposición a los rayos X. SCANNER «5.ª GENERACIÓN»

Resonancia magnética nuclear Aplicaciones y aparatos La resonancia magnética nuclear (RMN) se utiliza principalmente para estudiar características anatómicas y funcionales de tejidos, con gran calidad de imagen, incluso de imagen tridimensional. Los aparatos de RMN crean un campo magnético uniforme y constante, por lo que no debe haber ningún objeto metálico, ni otros campos magnéticos a su alrededor.

Resonancia magnética nuclear Fundamentos físicos Se basa en la propiedad de espín de las partículas elementales (electrones, protones, neutrones). El espín representa la orientación del giro de una partícula cargada mediante su momento magnético  En el cuerpo humano, el hidrógeno es el que más influencia Al aplicar un campo magnético, las partículas se orientan con dos posibilidades: paralela o antiparalela

Resonancia magnética nuclear Una vez orientadas las partículas, se aplica una señal de un frecuencia específica que las desequilibra. Conocida como frecuencia de Larmor o de precesión. Si se deja de aplicar radiofrecuencia, las partículas vuelven a su estado anterior (relajación), lo que proporciona la señal utilizada para formar la imagen. La señal se conoce como FID (Free Induction Decay)

Resonancia magnética nuclear Generadores y transductores La RMN se basa en un potente campo magnético que es necesario mantener constante, utilizando para ello helio en estado líquido superconductor (a temperaturas próximas al cero absoluto). Por otro lado, para la generación y recepción de las ondas de radiofrecuencia, se utilizan cristales, basados en el efecto piezoeléctrico. El proceso de obtención de imágenes de RMN es un proceso lento (una media de 30 minutos por exploración), pero no presenta riesgos para la salud por radiación ionizante.

Resonancia magnética nuclear La imagen se genera digitalizando y almacenando las distintas señales de eco de radiofrecuencia. Se almacenan por filas en un espacio denominado K, cuyas dimensiones son: Filas (Ky) : Representan la fase de la señal Columnas (Kx) : Representan la frecuencia de la señal Mediante transformaciones de Fourier se pasa a imagen.

Medicina nuclear Aplicaciones y aparatos La medicina nuclear (MN) se usa tanto para el diagnóstico como para el tratamiento de cánceres. Como ventaja, permite saber si un tejido está vivo o no Un servicio de medicina nuclear necesita una sala de preparación de fármacos radiactivos y otra sala de exploración. Si se realiza tratamiento, también se requiere de otra para la recogida de residuos radiactivos. La radiación puede tener consecuencias negativas.

Medicina nuclear Fundamentos físicos Se basa en la inyección intravenosa de sustancias radiactivas, llamadas isótopos o trazadores, que pueden emitir dos tipos de radiación: Electromagnética: Radiación gamma () De energía muy alta. Atraviesan casi todo tipo de materiales. Emisión de partículas: Alpha () y Beta () Éstas no son capaces de atravesar ni siquiera un papel o una madera, por lo que no tienen interés en la medicina nuclear. Técnicas de obtención de imágenes por MN: Gammagrafía SPECT (Tomografía Computerizada por Emisión de Fotones Simples) PET (Tomografía por Emisión de Positrones)

Medicina nuclear Generadores Transductores Se suelen usar distintos isótopos artificiales, según la zona que se quiera estudiar o tratar. Tratamiento: Básicamente cobalto radiactivo. Obtención de imagen: Indio, galio, xenón, talio y otros. Transductores Todas las técnicas de imágenes mediante MN utilizan variaciones de gammacámaras (o cámaras de Anger) cuya base son los cristales de centelleo. Cristales de yoduro sódico, activados con impurezas de Talio, que convierten la radiación gamma en energía luminosa.

Medicina nuclear Antes de pasar por el cristal de centelleo, se filtra la radiación cuya dirección no es la deseada, usando para ello rejillas llamadas colimadores. La luz emitida por el cristal de centelleo se amplifica y se convierte en señal eléctrica mediante fotomultiplicadores. Sustancia radiactiva Órgano seleccionado Radiación g Cristal de centelleo Analizador de amplitud Contador de impulsos Gammagrafía Colimador Tubo fotomultiplicador

Ecografía Aplicaciones y aparatos La ecografía es un método de obtención de imágenes totalmente inocuo, pero que ofrece menor calidad de imagen y su ámbito de uso está más limitado que la mayoría de los otros métodos vistos. Al aparato que obtiene este tipo de imágenes se le llama ecógrafo. Existen varios tipos de ecógrafías: Scan A Scan B B de tiempo real Modo M Modo C Doppler

Ecografía Fundamentos físicos La ecografía se basa en la aplicación de ultrasonidos y el posterior análisis de la señal tras atravesar un determinado cuerpo, o bien de la señal reflejada. Los ultrasonidos son ondas longitudinales que necesitan un medio físico para propagarse (no son electromagnéticas). En medicina de diagnóstico se usan frecuencias de entre 1 y 15 MHz Al pasar entre materiales de distinta densidad, parte de la onda se refleja y parte se refracta. Transductor L 1 A B Reflector Transductor L 1 A B C Reflector Inhomogeneidad

Ecografía Generadores y transductores La emisión y la recepción de ultrasonidos se basan en el efecto piezoeléctrico de algunos cristales. En los emisores, consiste en la contracción y relajación del cristal al aplicarle una diferencia de potencial alterna. En los receptores, consiste en la aparición de cargas eléctricas como consecuencia de un impacto mecánico. Normalmente se usa el mismo cristal para ambas funciones.

Procesamiento de imágenes biomédicas

Procesamiento de imágenes Generalidades Casi todas las modalidades de imagen médica proporcionan finalmente imágenes digitales. Una imagen digital es una matriz de valores que representa el brillo de cada punto en el espacio. Resolución: número de puntos (píxeles) que la componen Profundidad de color: número de bits de cada píxel. En medicina se suele trabajar en escala de grises de 5 a 8 bits. Las imágenes en color se suelen representar por tres capas que corresponden a los colores primarios aditivos (aunque hay más tipos). – Resolución + + Profundidad –

Imágenes Biomédicas

Procesamiento de imágenes digitales en dominio espacial Técnicas de representación de imagen digital Técnicas de compresión de imagen digital (con y sin pérdida de información) Técnicas de realce y mejora de la imagen digital (filtros) Técnicas de segmentación de la imagen digital Técnicas de morfología mátemática para análisis Técnicas de Reconocimiento e Interpretación de imágenes Visualización de imágenes biomédicas

Procesamiento de imágenes Procesado de matrices. Estas técnicas se basan en los píxeles adyacentes para calcular el píxel de salida, que es el central de la matriz. Este píxel se calcula como el sumatorio ponderado de los adyacentes Ejemplo de filtros paso-bajo y paso-alto con matrices 3x3: Aunque también se pueden usar otras técnicas con matrices, como técnicas de gradiente, de mediana, etc. Ejemplos: Filtros de Sobel, de Prewitt, de punto medio, de Roberts, etc. La mayoría de éstos se usan en algoritmos de detección de bordes. 1/9 -1 8 Siendo w la matriz, e(x,y) el nivel del pixel (x,y), s(i,j) el nivel del píxel calculado

Procesamiento de imágenes Ejemplos reales

Procesamiento de imágenes Visualización en 3D Reconstrucción multiplanar Representa tres planos (modificables) del cuerpo estudiado al mismo tiempo. Surface rendering Representa un modelo poligonal de la superficie del objeto, creado normalmente con técnicas de Marching Cubes. Es un algoritmo muy rápido, pero de poca precisión al tratarse de un modelo. Volume rendering Representa datos reales mediante técnicas de trazado de rayos. Algoritmo lento de cómputo masivo.

Procesamiento de imágenes Análisis de imágenes Al igual que con las señales, podemos analizar el ruido y otros factores que afectan a la calidad de imagen, por ejemplo analizando su histograma. Representación del número de puntos que hay de cada color