Imgenes y seales

biomdicas UPV FI INP (2003)

1 - Seales biomdicas

3

Electrocardiograma (ECG) n Aplicaciones y aparatos

El ECG se usa para el diagnstico de muchas enfermedades cardiovasculares.

El aparato destinado a recoger las seales elctricas del corazn se llama electrocardigrafo.

Existen varios tipos de electrocardigrafos, segn las derivaciones cardiacas que pueden registrar: n Bipolares (3 derivaciones) n Monopolares (3 derivaciones) n Precordiales (6 derivaciones) n Todas ellas (12 derivaciones)

4

Electrocardiograma (ECG) n Fundamentos fsicos

Se basa en recoger y amplificar las distintas seales elctricas de las contracciones del corazn. n A nivel de la piel, la seal recogida es de apenas 1 mV.

5

Electrocardiograma (ECG) n Transductores

Se utilizan amplificadores operacionales y bornes elctricos conectados en las extremidades del paciente o en el pecho, segn el tipo de ECG.

Brazo izquierdo

Brazo derecho

Pierna izquierda

6

Electroencefalograma (EEG) n Aplicaciones y aparatos

El EEG se usa para diagnosis de enfermedades cerebrales (epilepsia, Alzheimer, tumores, etc).

Tambin para el estudio de los potenciales evocados. n Respuesta del cerebro ante una determinada excitacin.

7

Electroencefalograma (EEG) Existen varios tipos de encefalgrafos:

n Muchos de ellos orientados a investigacin y de fabricacin propia. Los de diagnstico suelen cumplir los estndares.

Gracias a este tipo de aparatos se han descubierto principalmente 4 tipos de ondas cerebrales relacionados con el estado de vigilia: n Alfa: 8-13Hz

n Beta: 18-30Hz

n Theta: 4-7Hz

n Delta:

8

Electroencefalograma (EEG) n Fundamentos fsicos

Se basa en recoger y amplificar ciertas seales elctricas producidas por la actividad cerebral. n Producidas por neuronas con una orientacin regular. n A nivel de la piel, la seal recogida es de apenas 100 V.

9

Electroencefalograma (EEG) n Transductores

Igual que el ECG, amplificadores y bornes elctricos. n Dispuestos segn el Sistema Internacional EEG 10-20.

2 - Imgenes mdicas

11

Radiografa n Aplicaciones y aparatos

Es la imagen mdica ms extendida y rpida. Las zonas blancas son las de ms densidad de tejido.

Existen multitud de variantes de aparatos de rayos X (radigrafos) segn la zona del cuerpo: n Dental, pulmonar, de extremidades, mamografa, etc.

12

Radiografa n Fundamentos fsicos

Basada en las propiedades de los rayos X. n Ondas electromagnticas o fotones capaces de atravesar

objetos opacos. Descubiertos en 1895 por W.C. Roentgen. n Dos efectos fundamentales: Fotoelctrico y Compton

13

Radiografa Se hace pasar un haz de rayos X a travs del

paciente, tras el cual se coloca una pelcula radiolgica sensible a estos rayos. n Segn el grosor y el tipo de tejido, los rayos son absorbidos

por ste en mayor o menor grado. La parte no absorbida incide en la pelcula radiolgica y la impresiona.

n Regulando voltaje e intensidad de corriente se consiguen distintas profundidades de penetracin de los rayos.

Generador de rayos X

Filtro

Diafragma

Haz de rayos X

Rejilla

Pelcula fotogrfica Paciente

14

Radiografa n Generadores

El tubo de rayos X funciona de forma similar a una bombilla, con un nodo de wolframio o tungsteno y un ctodo emisor de e- (por efecto electrotrmico) n Voltaje de 20 a 150 KV (hasta 300 KV en caso de terapia) n Intensidad de corriente: tiempo de irradiacin (mAs)

La exposicin a rayos X es perjudicial para la salud n Depende de varios factores (tiempo, zona expuesta, etc)

15

Radiografa n Transductores

En la radiografa clsica (analgica) se usan pelculas sensibles a los rayos X, que han de ser reveladas.

En la radiografa digital se usan dos mtodos: n Digitalizando radiografas analgicas. n Directamente, mediante placas de fluoharuros de bario.

Los rayos hacen a los electrones de la placa pasar a una capa superior Con un lser se logra que vuelvan a su estado, emitiendo luz azul. Esta luz se convierte en seal elctrica mediante un fotomultiplicador.

Rejilla

Placa Paciente

Fotomultiplicador

Seal elctrica

16

Angiografa digital n Aplicaciones y aparatos

La angiografa digital se usa para el estudio de los vasos sanguneos.

Los aparatos diseados para este fin se denominan angigrafos digitales.

17

Angiografa digital n Fundamentos fsicos

Basada en rayos X y en contrastes radiolgicos. n Los contrastes son sustancias muy opacas a los rayos X.

Normalmente se emplean disoluciones de yodo por va intravenosa.

Se obtiene la imagen resultante de la resta de dos imgenes: antes y despus de inyectar el contraste.

a) Antes del contraste b) Despus del contraste c) Sustraccin de b a

18

Angiografa digital n Generadores

Al basarse en rayos X, se utilizan los mismos tubos que stos, aunque suelen ser de menor potencia.

n Transductores Se utilizan cmaras de vdeo digital que obtienen la

imagen en tiempo real. Pueden ser de varios tipos: n Cmaras de haces de electrones (vidicn, plumbicn, etc)

Funcionan detectando variaciones conductividad por barridos.

n Cmaras CCD Basadas en semiconductores que detectan el acoplamiento de carga.

19

Tomografa axial computerizada n Aplicaciones y aparatos

Obtencin de radiografas tridimensionales. n Las convencionales tienen varios inconvenientes, al ser 2D:

No distinguen objetos superpuestos que estn en planos diferentes No reflejan bien el tamao, ya que ste depende de la profundidad

A los aparatos que obtienen y procesan estas imgenes se les denomina escneres de TAC. n El primero fue inventado por

Godfrey Hounsfield (de la compaa EMI) en 1973, aunque la idea original es de 1963.

20

Tomografa axial computerizada n Fundamentos fsicos

Se basa en tomar mltiples radiografas desde distintos puntos alrededor del paciente.

A cada una de ellas se le aplican ecuaciones matemticas para simular un cuerpo tridimensional a partir de las rodajas bidimensionales obtenidas.

21

Tomografa axial computerizada La tcnica ha ido evolucionando, mejorando cada vez

ms la velocidad y resolucin de imagen, lo que a su vez minimiza el riesgo por exposicin a los rayos X.

SCANNER 5. GENERACIN

22

Resonancia magntica nuclear n Aplicaciones y aparatos

La resonancia magntica nuclear (RMN) se utiliza principalmente para estudiar caractersticas anatmicas y funcionales de tejidos, con gran calidad de imagen, incluso de imagen tridimensional.

Los aparatos de RMN crean un campo magntico uniforme y constante, por lo que no debe haber ningn objeto metlico, ni otros campos magnticos a su alrededor.

23

Resonancia magntica nuclear n Fundamentos fsicos

Se basa en la propiedad de espn de las partculas elementales (electrones, protones, neutrones). n El espn representa la orientacin del giro de una partcula

cargada mediante su momento magntico n En el cuerpo humano, el hidrgeno es el que ms influencia

Al aplicar un campo magntico, las partculas se orientan con dos posibilidades: paralela o antiparalela

24

Resonancia magntica nuclear Una vez orientadas las partculas, se aplica una seal

de un frecuencia especfica que las desequilibra. n Conocida como frecuencia de Larmor o de precesin.

Si se deja de aplicar radiofrecuencia, las partculas vuelven a su estado anterior (relajacin), lo que proporciona la seal utilizada para formar la imagen. n La seal se conoce como FID (Free Induction Decay)

25

Resonancia magntica nuclear n Generadores y transductores

La RMN se basa en un potente campo magntico que es necesario mantener constante, utilizando para ello helio en estado lquido superconductor (a temperaturas prximas al cero absoluto).

Por otro lado, para la generacin y recepcin de las ondas de radiofrecuencia, se utilizan cristales, basados en el efecto piezoelctrico.

El proceso de obtencin de imgenes de RMN es un proceso lento (una media de 30 minutos por exploracin), pero no presenta riesgos para la salud por radiacin ionizante.

26

Resonancia magntica nuclear La imagen se genera digitalizando y almacenando las

distintas seales de eco de radiofrecuencia. n Se almacenan por filas en un espacio denominado K, cuyas

dimensiones son: Filas (Ky) : Representan la fase de la seal Columnas (Kx) : Representan la frecuencia de la seal

n Mediante transformaciones de Fourier se pasa a imagen.

27

Medicina nuclear n Aplicaciones y aparatos

La medicina nuclear (MN) se usa tanto para el diagnstico como para el tratamiento de cnceres. n Como ventaja, permite saber si un tejido est vivo o no

Un servicio de medicina nuclear necesita una sala de preparacin de frmacos radiactivos y otra sala de exploracin. Si se realiza tratamiento, tambin se requiere de otra para la recogida de residuos radiactivos.

La radiacin puede tener consecuencias negativas.

28

Medicina nuclear n Fundamentos fsicos

Se basa en la inyeccin intravenosa de sustancias radiactivas, llamadas istopos o trazadores, que pueden emitir dos tipos de radiacin: n Electromagntica: Radiacin gamma ()

De energa muy alta. Atraviesan casi todo tipo de materiales. n Emisin de partculas: Alpha () y Beta ()

stas no son capaces de atravesar ni siquiera un papel o una madera, por lo que no tienen inters en la medicina nuclear.

Tcnicas de obtencin de imgenes por MN: n Gammagrafa n SPECT (Tomografa Computerizada por Emisin de Fotones

Simples) n PET (Tomografa por Emisin de Positrones)

29

Medicina nuclear n Generadores

Se suelen usar distintos istopos artificiales, segn la zona que se quiera estudiar o tratar. n Tratamiento: Bsicamente cobalto radiactivo. n Obtencin de imagen: Indio, galio, xenn, talio y otros.

n Transductores Todas las tcnicas de imgenes mediante MN utilizan

variaciones de gammacmaras (o cmaras de Anger) cuya base son los cristales de centelleo. n Cristales de yoduro sdico, activados con

impurezas de Talio, que convierten la radiacin gamma en energa luminosa.

30

Medicina nuclear Antes de pasar por el cristal de centelleo, se filtra la

radiacin cuya direccin no es la deseada, usando para ello rejillas llamadas colimadores.

La luz emitida por el cristal de centelleo se amplifica y se convierte en seal elctrica mediante fotomultiplicadores.

Sustancia radiactiva

rgano seleccionado

Radiacin

Cristal de centelleo

Analizador de amplitud

Contador de impulsos

Gammagrafa

Colimador

Tubo fotomultiplicador

31

Ecografa n Aplicaciones y aparatos

La ecografa es un mtodo de obtencin de imgenes totalmente inocuo, pero que ofrece menor calidad de imagen y su mbito de uso est ms limitado que la mayora de los otros mtodos vistos.

Al aparato que obtiene este tipo de imgenes se le llama ecgrafo. n Existen varios tipos de ecgrafas:

Scan A Scan B B de tiempo real Modo M Modo C Doppler

32

Ecografa n Fundamentos fsicos

La ecografa se basa en la aplicacin de ultrasonidos y el posterior anlisis de la seal tras atravesar un determinado cuerpo, o bien de la seal reflejada. n Los ultrasonidos son ondas longitudinales que necesitan un

medio fsico para propagarse (no son electromagnticas). En medicina de diagnstico se usan frecuencias de entre 1 y 15 MHz

n Al pasar entre materiales de distinta densidad, parte de la onda se refleja y parte se refracta.

Transductor

L 1 A

B A

B

Reflector Transductor

L 1 A

B A

C B

Reflector

C

Inhomogeneidad

33

Ecografa n Generadores y transductores

La emisin y la recepcin de ultrasonidos se basan en el efecto piezoelctrico de algunos cristales. n En los emisores, consiste en la contraccin y relajacin del

cristal al aplicarle una diferencia de potencial alterna. n En los receptores, consiste en la aparicin de cargas

elctricas como consecuencia de un impacto mecnico. n Normalmente se usa el mismo cristal para ambas funciones.

3 Procesamiento de imgenes y seales

biomdicas

35

Procesamiento de seales n Generalidades

Muchas seales elctricas se ven afectadas por otras seales indeseadas, a las que llamamos ruido.

Conociendo la naturaleza de las seales a estudiar podemos determinar la presencia y el tipo de ruido. n Ejemplos reales de ECG y EEG:

36

Procesamiento de seales n Anlisis espectral de seales

Mediante la transformada de Fourier se puede analizar la seal en el dominio de la frecuencia. n FFTs de los ejemplos anteriores:

Se observa en ambos casos la presencia de ruido de red elctrica, cuya componente principal es de 50Hz, y su armnico de 100Hz.

37

Procesamiento de seales n Filtrado de seales

Para estudiar correctamente las seales biomdicas es necesario eliminar el ruido mediante filtros. n Esto se suele hacer con DSPs o por software en un PC. n Aplicando filtros rechaza-banda de 50Hz y 100Hz al ECG:

38

Procesamiento de seales Aunque el ruido de red afecta a la mayora de

seales elctricas, a veces nos encontraremos tambin con otros tipos de ruido. n Ejemplo de un ECG real con ruido de baja frecuencia y su

correspondiente filtrado con un filtro de media mvil:

39

Procesamiento de imgenes n Generalidades

Casi todas las modalidades de imagen mdica proporcionan finalmente imgenes digitales.

Una imagen digital es una matriz de valores que representa el brillo de cada punto en el espacio. n Resolucin: nmero de puntos (pxeles) que la componen n Profundidad de color: nmero de bits de cada pxel.

En medicina se suele trabajar en escala de grises de 5 a 8 bits. Las imgenes en color se suelen representar por tres capas que

corresponden a los colores primarios aditivos (aunque hay ms tipos).

Resolucin + + Profundidad

40

Procesamiento de imgenes Las imgenes digitales, al provenir de seales

elctricas, tambin se ven afectadas por ruido. Pero el ruido no es el nico inconveniente, ya que

hay ms factores que afectan a la calidad de imagen, como el brillo o el contraste, por ejemplo. n Ejemplos de imgenes con ruido y con bajo contraste:

41

Procesamiento de imgenes n Anlisis de imgenes

Al igual que con las seales, podemos analizar el ruido y otros factores que afectan a la calidad de imagen, por ejemplo analizando su histograma. n Representacin del nmero de puntos que hay de cada color

42

Procesamiento de imgenes n Tcnicas de mejora de imgenes

Tcnicas sobre pxel n Modificacin de brillo y contraste

Respectivamente, sumar o multiplicar por un factor todos los pxeles

n Ventana de visualizacin Seleccionar un rango de colores y normalizar a todo el rango permitido

n Tcnicas de umbralizacin Se limita la visualizacin a un determinado rango de colores

Transformaciones del histograma n Ecualizacin automtica

Intenta uniformizar todos los niveles de color aplanando el histograma

n Ecualizacin de ventana mvil Ecualiza los histogramas por partes de la imagen en vez del de toda ella

43

Procesamiento de imgenes Procesado de matrices.

n Estas tcnicas se basan en los pxeles adyacentes para calcular el pxel de salida, que es el central de la matriz. Este pxel se calcula como el sumatorio ponderado de los adyacentes

n Ejemplo de filtros paso-bajo y paso-alto con matrices 3x3:

n Aunque tambin se pueden usar otras tcnicas con matrices, como tcnicas de gradiente, de mediana, etc. Ejemplos: Filtros de Sobel, de Prewitt, de punto medio, de Roberts, etc. La mayora de stos se usan en algoritmos de deteccin de bordes.

1/9 1/9 1/9

1/9 1/9 1/9

1/9 1/9 1/9

-1 -1 -1

-1 8 -1

-1 -1 -1

),(),(1

1

1

1

ljkiewjisk l

kl ++= = =

Siendo w la matriz, e(x,y) el nivel del pixel (x,y), s(i,j) el nivel del pxel calculado

44

Procesamiento de imgenes n Ejemplos reales

45

Procesamiento de imgenes n Visualizacin en 3D

Reconstruccin multiplanar n Representa tres planos (modificables)

del cuerpo estudiado al mismo tiempo.

Surface rendering n Representa un modelo poligonal de la

superficie del objeto, creado normalmente con tcnicas de Marching Cubes.

n Es un algoritmo muy rpido, pero de poca precisin al tratarse de un modelo.

Volume rendering n Representa datos reales mediante

tcnicas de trazado de rayos. n Algoritmo lento de cmputo masivo.