l01_introduzione alle bioimmagini

Bioimmagini
Organizzazione del corso
• Orari delle lezioni
• Lezione il martedì ore 14.30 – 16.30, aula 1B ed il venerdì
8.30 - 10.30, aula 1D
• Esercitazioni al posto delle lezioni al LADISPE di via Boggio
quando indicato dal docente
• Docenti
• ing. Filippo Molinari, tel. 4135, [email protected]
• ing. Silvia Delsanto, tel. 4136, [email protected]
• Materiale didattico
• copia delle slide del corso (insufficienti!)
• elenco dei testi disponibile sul portale
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Un po’ di storia …
In medicina da sempre si fa uso di “simulacri” per trasmettere il sapere medico.
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)
Vesalius “De Humani corporis fabrica” (1543)
Manuali di anatomia (nella foto: Testut)
Tavole di anatomia di Netter
Visible Human (1986)
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Evoluzione tecnologica
1895
.......
1940
1950
1960
1859 – 1940
1945 – 1970
Raggi X (anodo rotante)
Gamma camera
Risoluzione spaziale
Ultrasuoni
1970
1980
1990
2000
TC – SPECT – PET
Risoluzione in ampiezza
RM – DSA – Spiral CT
Risoluzione temporale
RX digitale – MEG - fMRI
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Cos’è una bioimmagine?(1)
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Cos’è una bioimmagine?(2)
Si indica col termine bioimmagine una figura relativa all’anatomia o
alla fisiologia di parti interne del corpo.
Funzione
Invasività
Ma questa
definizione è
esauriente?
Morfologia
Scala (macro
o microscopica)
o
Tecnica
funzione
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Classificazione delle bioimmagini(1)
Il medico e` solito classificare le bioimmagini in
base alla loro funzione: un cardiologo classifica
le immagini cardiologiche in base alla loro
valenza diagnostica, terapeutica o riabilitativa.
La tecnica che sta alla base delle immagini ha
importanza minore.
L’ingegnere e` solito classificare le bioimmagini sulla base
della loro natura, cioe` in base alla tecnica con la quale
sono state ottenute.
Si parla quindi di radiografie, immagini TAC, ecografie,
immagini di risonanza magnetica …
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Classificazione delle bioimmagini(2)
• bioimmagini MORFOLOGICHE
In base alla funzione
• bioimmagini FUNZIONALI
• analisi di strutture anatomiche
In base all’uso clinico
• diagnostica
• analisi di patologie (cause)
• monitoraggio terapia, follow – up
• radiazioni ionizzanti o non ionizzanti
In base alle caratteristiche
• invasivita` della tecnica
• somministrazione o meno di mezzo di
contrasto
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Come si genera una bioimmagine?
Le bioimmagini si generano sfruttando opportunamente l’interazione di un
qualche tipo di energia con il corpo umano.
I principali meccanismi sfruttati sono:
assorbimento
riflessione
radiologia, TAC
ultrasonografia
diffusione
SPECT, PET
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Parametri fisici descrittivi di un’immagine(1)
Le prestazioni di un sistema di generazione di immagini a scopo diagnostico possono
essere valutate a partire da un numero limitato di parametri.
CONTRASTO
A
Rappresenta la variazione relativa del valore
assunto dai pixel appartenenti ad una zona
dell’immagine rispetto allo sfondo.
S
• ia valor medio dell’immagine valutato sull’areola
• is valor medio dell’immagine valutato sullo sfondo
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Parametri fisici descrittivi di un’immagine(2)
RISOLUZIONE
Risoluzione spaziale: capacita` di vedere
come distinti oggetti piccoli e ravvicinati
h h
Risoluzione temporale: numero di
immagini acquisibili nell’unita` di tempo
Risoluzione in ampiezza: minimo valore di
i rilevabile sull’immagine (strettamente
legata al contrasto)
Legge di Weber (per il
sistema occhio umano)
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Parametri fisici descrittivi di un’immagine(3)
RAPPORTO SEGNALE – RUMORE
A causa del rumore presente, il valore dell’immagine in un punto non e` una
costante, ma piuttosto una variabile casuale (si supponga una v.c. gaussiana con
deviazione standard pari a i)
Detto iavg il valor medio dell’immagine in un punto, il rapporto segnale – rumore (SNR)
vale:
Tuttavia il valore assoluto del SNR non e` sempre molto significativo, spesso
interessa maggiormente una misura di SNR differenziale, relativa ad esempio ad un
dettaglio a su uno sfondo s. In questo caso il valore del SNR differenziale vale:
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Caratteristiche comuni delle bioimmagini
• Le bioimmagini vengono praticamente sempre ricavate in vivo, cioe`
direttamente sul tessuto umano.
• Le bioimmagini rappresentano spesso una visione parziale della realta`,
adattata ad uno specifico problema.
• Lo studio in vivo delle strutture del corpo umano avviene sempre secondo
queste modalita`:
emissione spontanea del corpo umano
interazione con energia inviata sul corpo umano
interazione mirata a specifiche strutture del corpo umano
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Emissione spontanea del corpo umano
E` stato dimostrato che il corpo umano emette spontaneamente
diversi tipi di energia:
• energia magnetica
• energia elettrica
• energia meccanica
• energia elettromagnetica
Nel corso degli anni sono stati messi a punto sofisticati sistemi per il
monitoraggio e l’acquisizione dei dati forniti da questo tipo di emissioni
spontanee; esempi classici in questo campo sono le apparecchiature per
elettroencefalografia, elettrocardiografia, elettromiografia e termografia.
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Termografia(1)
La termografia consente di ottenere una mappatura della distribuzione di
temperatura sulla superficie dell’epidermide.
Importanza diagnostica
notevoli simmetrie bilaterali
nel corpo umano e specifici
pattern associati a soggetti
sani
Pregi e difetti
Capacita` di rivelare alterazioni
metaboliche o circolatorie
Possibilita` di condurre un esame
senza contatto tra paziente e
strumento di misura
Metodica utilizzata
prevalentemente per lo
screening (analisi preliminari
su vasti gruppi)
Es: tumore al seno in donne di
una certa fascia d’eta`.
Risposta in tempo reale
Elevato numero di falsi allarmi
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Termografia(2)
Sensibilità dei sensori all’infrarosso
Risoluzione termica di 15 - 20 mK
Ottica intercambiabile da 50mm
Frame - rate massimo di 200 Hz
Temperatura di esercizio dei sensori di
circa 40 - 60 K
Matrice d’uscita di 512x512 px codificati
su 16 bit
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Magnetoencefalografia(1)
Organi del corpo umano (cervello, occhi, cuore, stomaco, muscoli scheletrici…)
emettono radiazione magnetica si vuole tradurre in mappe 2D o 3D la distribuzione
di campo magnetico in un organo
L’applicazione principale e` nello studio del cervello in risposta a determinati pattern
di stimolazione esterni (campo della ricerca)
Caratteristiche del segnale magnetoencefalografico:
• ampiezza di pochi pT, ma spesso solo qualche decina di fT
• banda compresa tra 0.1 Hz e 600 Hz
• problema del rumore ambientale, di circa 8 ordini di grandezza maggiore del
segnale
utilizzo di sensori Superconducting Quantum Interference Devices
(SQUID) con temperatura di lavoro a circa –200 C (bagno di elio o
azoto)
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Magnetoencefalografia(2)
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