Diagnostyka obrazowa

Diagnostyka obrazowa, obrazowanie medyczne – dział diagnostyki i informatyki medycznej^[1] zajmujący się tworzeniem obrazów zmian fizjologicznych oraz patologicznych zachodzących w ciele ludzkim za pomocą różnego rodzaju oddziaływań fizycznych.

Zastosowania diagnostyki medycznej

• wizualizacja – badanie schorzenia przez odszumianie, wzmacnianie krawędzi, wizualizację czy wyostrzanie rozmytych krawędzi obrazów
• analiza ilościowa – zbieranie oraz obliczanie mierzalnych parametrów związanych z badanym organem pacjenta
• lokalizowanie – odnajdywanie uszkodzeń, urazów lub zmian patologicznych
• badania przesiewowe – wyselekcjonowanie z dużej populacji obrazów, które należy przeznaczyć do dalszej analizy

Zjawiska wykorzystywane w diagnostyce

• promieniowanie rentgenowskie – rentgenografia (RTG) i tomografia komputerowa (TK)
• promieniowanie izotopów promieniotwórczych – pozytonowa tomografia emisyjna (PET) oraz scyntygrafia
• własności pola magnetycznego – spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (MRJ)
• własności ultradźwięków – ultrasonografia (USG)
• promieniowanie cieplne – termografia

Zmiany patologiczne obserwowane za pomocą diagnostyki obrazowej

• ropnie
• torbiele
• obszary niedokrwienia i martwicy
• obrzęk
• wady wrodzone narządów wewnętrznych (np. agenezja, hipoplazja)
• zmiany zanikowe i zwyrodnieniowe
• zmiany o typie nowotworowym

Metody obrazowania

Konwencjonalna diagnostyka rentgenowska

Śródoperacyjny cholangiogram uwidaczniający drogi żółciowe w trakcie laparoskopowej cholecystektomii

Obrazy otrzymuje się poprzez wykorzystanie wiązki promieniowania X przepuszczoną przez organizm badanego i rzutowaną na błonę filmową, która jest wrażliwa na promienie rentgenowskie. Tak otrzymane obrazy charakteryzują się cieniami, które pojawiają się z powodu pochłaniania części promieniowania przez tkanki. Konwencjonalna diagnostyka rentgenowska pozwala na badanie m.in. złamanych kości czy chorób płuc. Jest to najstarsza metoda obrazowania posiadająca pewne wady. Nadmierne oświetlanie promieniami X może być szkodliwe dla organizmu, a wizualizacje otrzymane z użyciem tego sposobu mogą być niewystarczająco dokładne do wystawienia poprawnej diagnozy. Dlatego obecnie zaczyna stosować się bardziej zaawansowane odmiany tej metody, a także zupełnie inne sposoby obrazowania medycznego.

Cyfrowe obrazowanie rentgenowskie

Cyfrowe obrazowanie rentgenowskie jest odmianą konwencjonalnej diagnostyki rentgenowskiej, w której błonę filmową zastąpiono detektorami promieniowania X. Zaletami tego sposobu obrazowania jest większa czułość, łatwiejsza archiwizacja danych oraz możliwość edytowania otrzymanych za jej pomocą obrazów. Cyfrowe obrazowanie rentgenowskie dzieli się na dwa podtypy. Pierwszy to radiografia półcyfrowa (ang. computer radiography, CR), w niej korzysta się z kaset filmowych, w których taśma światłoczuła jest pokryta warstwą fosforu. Po zakończeniu badania można usunąć obraz za pomocą lasera. Dzięki temu kaseta może być wykorzystana wielokrotnie. Drugą odmianą jest radiologia cyfrowa (ang. digital radiography, DR). Pozwala ona na cyfrowy zapis obrazu bez wykonywania kroków pośrednich. Jest to możliwe dzięki specjalnym detektorom. Występują one w wielu odmianach, ale najpopularniejsza wersja wykorzystuje amorficzny krzem do obrazowania.

Tomografia

Schemat działania tomografów IV generacji.

Tomografia jest techniką umożliwiającą wykonywanie zdjęć warstwowych. Dzieli się ona na tomografię transmisyjną (dzieli się na m.in. badania dynamiczne i spiralne) oraz tomografię magnetycznego rezonansu jądrowego. Pierwszy rodzaj wykorzystuje promieniowanie X, drugi natomiast wykorzystuje oddziaływanie fal radiowych na protony umieszczone w silnym polu magnetycznym. Tomografia komputerowa jako pierwsze umożliwiała analizę danej warstwy organizmu. Uzyskanie obrazu danego przekroju wiąże się z wykonaniem serii naświetleń z różnych kierunków. Wiąże się to z poruszaniem się lamp naświetlających oraz detektorów wokół pacjenta. W pierwszych CT były to ruchy translacyjne i rotacyjne, stwarzały one pewne problemy. Aparatura rentgenowska była duża przez co przesuwanie jej trwało stosunkowo długo w celu zapewnienia dobrej jakości obrazu. Obecna (czwarta) generacja tomografów rozwiązała ten problem poprzez miniaturyzację lamp generujących promieniowanie X oraz inną budowę CT. W niej detektory są trwale umieszczone wokół pacjenta, a ruch obrotowy wykonuje jedynie aparatura RTG.

Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu

Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu jest rozwinięciem scyntygrafii, w którym analizie poddaje się wiązkę promieniowania gamma emitowana przez radioizotop. Podobnie jak w klasycznej radiografii obraz pacjenta uzyskuje się za pomocą tzw. gamma-kamery i jest on rzutem trójwymiarowego organizmu na płaszczyznę. Metoda SPECT (ang. single photon emission tomography) jest metodą diagnostyki wykorzystującą do rekonstruowania wyglądu ciała dwie lub trzy-gamma kamery, które dokonują obrotu wokół pacjenta. Z tą techniką wiąże się PET (ang. positron emission tomography), który korzysta z promieniowania beta+ zamiast wiązki fotonów.

Ultrasonografia (USG)

Trójwymiarowe przedstawienie pracy serca, poprzez złożenie dwóch sekwencji obrazów USG

USG wykorzystuje ultradźwięki do tworzenia wizualizacji badanego organizmu. Jest to jedna z tańszych i częściej stosowanych metod obrazowania. Korzysta ona ze zjawiska odbicia i rozpraszania się fali dźwiękowej na granicy ośrodków. Kolejną ważną zaletą tej metody jest to, że pozwala ona na otrzymywanie wizualizacji w czasie rzeczywistym. Z powodu nieinwazyjności i braku skutków ubocznych tej techniki, jest ona stosowana podczas badań prenatalnych. Pierwszym klinicznym zastosowaniem USG była diagnostyką płodu.

Medycyna nuklearna

W medycynie nuklearnej radioaktywny izotop zostaje dołączony do składnika aktywnego biologicznie i wprowadzany do krwiobiegu, gdzie gromadzi się w organach. Patologie odzwierciedlone są w stężeniu izotopu wykraczającym poza normę.

Jednoczesne obrazowanie w wielu modalnościach

Metoda ta wykorzystuje kilka metod obrazowania w celu zwiększenia dokładności odczytów.

Obrazowanie funkcjonalne

Technika ta ma na celu zbadanie funkcjonowania organizmu zamiast jego stanu statycznego (budowy anatomicznej).

Mikroskopia

Mikroskopia wykorzystuje do diagnostyki organizmu różnego rodzaju mikroskopy: konwencjonalne (optyczne), elektronowe, fazowo-kontrastowe czy konfokalne.

Obrazowanie fotoakustyczne

Technika ta używa pulsujące z odpowiednią częstotliwością wiązki lasera oraz specjalnych sensorów wychwytujących fale dźwiękowe powstałe w wyniku oddziaływania promieni lasera na organizm.

Podstawowe parametry obrazów

Rozdzielczość

Jest to zdolność układu do zobrazowania dwóch źródeł światła będących w określonej odległości od siebie. Im jest większa tym lepsza dokładność wizualizacji otrzymanej za pomocą aparatury diagnostycznej.

Częstości przestrzenne

Wielkość mierząca liczbę cykli zjawiska okresowego na jednostce długości. Można za jej pomocą definiować jasność obiektu.

Kontrast

Różnica w natężeniu danej cechy obiektu, a natężeniem tej cechy w innych obiektach.

Kliniczne znaczenie badań obrazowych

Do lat pięćdziesiątych XX wieku radiologią nazywano trzy działy wykorzystujące promieniowanie jonizujące w diagnostyce oraz terapeutyce. Były to: rentgenodiagnostyka, radioterapia oraz medycyna nuklearna. Z biegiem czasu dwie ostatnie dziedziny oddzieliły się tworząc nowe gałęzie nauk medycznych i przyczyniając się tym samym do powstania współczesnej definicji radiologii, która jest nierozerwalnie związana z obrazowaniem medycznym. Jednak diagnostyka obrazowa już nie posługuje się tylko promieniowaniem jonizującym, ale także rezonansem magnetycznym czy ultradźwiękami. Zajmuje się ona badaniem stanu ludzkiego organizmu oraz monitorowaniem zjawisk fizjologicznych w nim zachodzących. Jej znaczenie we współczesnej medycynie jest zarówno poznawcze jak i praktyczne. Stanowi ona jeden z podstawowych działów diagnostyki medycznej. Uważa się, że badania obrazowe umożliwiają ustalenie rozpoznania w ponad 50%, a w 30% mają znaczenie pomocnicze.

Zarys historii diagnostyki obrazowej

Zdjęcie rentgenowskie dłoni Alberta von Köllikera wykonane przez Röntgena na posiedzeniu Physical Medical Society w Würzburgu 23 stycznia 1896

Diagnostyka obrazowa jest ściśle związana z radiologią, dlatego też w ich dziejach występuje bardzo wiele elementów wspólnych.

• 8 listopada 1895 – odkrycie promieniowania X przez Wilhelma Konrada Roentgena
• 16 stycznia 1896 – rozpoznanie złamania kości przedramienia na podstawie zdjęć roentgenowskich
• 1897 – zdjęcie narządów klatki piersiowej
• 1900–1920 – intensywna praca mająca na celu udoskonalenie aparatury badawczej oraz poprawę jakości otrzymywanych obrazów
• 1920–1930 – zarysowuje się ostateczny wygląd technik rentgenowskich
• 1930–1940 – stworzenie nowych technik wchodzących w skład diagnostyki obrazowej (rentgenokinematografia, angiokardiografia)
• 1940–1950 – dalszy rozwój tej dziedziny nauk medycznych, który spowodował stworzenie podstaw spektroskopii, splenoportografii czy wprowadzenie scynografów
• 1956 – kliniczne zastosowanie termografii
• 1957–1958 – ultradźwięki w ginekologii i położnictwie
• 1959 – zastosowanie rentegenotelewizji
• 1961 – wykorzystanie technetu 99Tc w medycynie nuklearnej
• 1972 – tomografia komputerowa
• 1973 – pozytonowa tomograficzna gammakamera
• 1974 – tomografia komputerowa ludzkiego ciała
• 1977 – wykonano pierwsze obrazy ludzkiego ciała z wykorzystaniem MR w dobrej jakości

Systemy detekcji promieniowania i detekcji obrazu

Współcześnie można wyróżnić dwa systemy obrazowania: analogowy oraz cyfrowy. Konwencjonalny obraz na błonie halogenosrebrowej jest zbudowany z dużej liczby mikroskopijnych punktów. Ich ilość ulega zmniejszeniu w sposób ciągły zależnie od stopnia osłabienia promieniowania X po przejściu przez organizm, co wpływa na różnice w zaczernieniu poszczególnych obszarów błony. W diagnostyce obrazowej istnieje wiele rozwiązań mających na celu zapisanie obrazu w formie cyfrowej, jednak najpopularniejszymi z nich są skanery przenoszące dane z błony rentgenowskiej do pamięci komputera oraz cyfrowe płyty pamięciowe zawierające związki selenu i fosforu. Obraz zapisany na nich może zostać odczytany za pomocą specjalnego urządzenia laserowego.

Zarządzanie danymi obrazowymi w medycynie

Jeszcze nie tak dawno temu nawet obrazy cyfrowe były przenoszone na błony filmowe. Teraz jednak powszechnie stosuje się archiwizację cyfrową, która zakłada digitalizację lub skanowanie obrazów otrzymanych analogowo. W tym celu wykorzystuje się PACS (Picture Archiving and Communication System).

Komputery w diagnostyce obrazowej

Szybki rozwój nauk informatycznych przyczynił się do stworzenia nowych dziedzin diagnostyki. Bardziej zaawansowane metody obrazowania wymagały dużej mocy obliczeniowej oraz nośnika, który zarchiwizuje otrzymane dzięki nim dane. Tym wymogom sprostała generacja współczesnych komputerów. Zapewniły diagnostyce dokładniejszą analizę badanego organizmu, którego obraz dzięki nim był przechowywany w o wiele lepszej jakościowo formie.

Komputerowe wspomaganie diagnostyki obrazowej

Komputerowo wspomagana diagnostyka medyczna CAD (ang. computer aided diagnosis) to zestaw specjalistycznych technik służących do badania oraz interpretacji wskazanych cech obrazowych, by na ich podstawie dokonać diagnozy różnicującej. Dzięki nim lekarz zostaje odciążony przez co może skupić się na interpretowaniu przetworzonych danych. Służą do tego podstawowe operacje na obrazie jakie zapewnia mu system CAD. W ich skład wchodzą różne metody przetwarzania obrazów, które mają na celu:

• poprawę jakości obrazu poprzez modyfikację kontrastu, redukcję szumów i artefaktów
• poprawę percepcji dzięki uwzględnieniu poprzez uwzględnienie właściwości ludzkiego systemu widzenia
• uwydatnienie cech obrazu kluczowych w dalszej analizie
• służenie innym, bardziej szczegółowym celom.

Wśród operacji dokonywanych na obrazie lub jego fragmencie najważniejszymi są:

• przetwarzanie punktowe – regulacja jasności i kontrastu, korekcja gamma, korekcja histogramu obrazów, steganografia
• filtracja uśredniająca – wykrycie i podkreślenie krawędzi transformacji obrazu
• kompresja – określenie efektywnego sposobu przechowywania wizualizacji
• przekształcenia geometryczne
• interpolacja i aproksymacja.

Informatyka medyczna

Jest to dział informatyki bardzo silnie rozwijający się w ostatnich latach. Daje on lekarzowi narzędzia dzięki, którym otrzymuje on kompleksową wiedzę o pacjencie poprzez zastosowanie metod umożliwiających przeszukiwanie, przesyłanie, a także gromadzenie informacji o chorym. Przykład mammografii i radiografii płuc wykazuje, że wzrost znaczenia systemów CAD przyczynił się do poprawy wykrywalności zmian patologicznych. Jedną z metod poprawy skuteczności komputerowego wspomagania diagnostyki jest standaryzacja mammogramów. W tym celu opracowano SMF (ang. standard mammogram form), które dzięki modelowaniu procesu akwizycji i wydzieleniu tkanki gruczołowej pozwala uzyskać mammogram niezależny od parametrów procesu akwizycji. Przez to można dokonać standaryzacji procesów detekcji i zapewnić im wysoką wydajność w różnych badaniach.

Wspomaganie diagnostyki obrazowej

Wspomaganie obrazowej diagnostyki metodami komputerami jest ściśle związane ze sztuczną inteligencją. Łączy je przede wszystkim wykorzystanie wielu wspólnych metod analizy danych, algorytmów przetwarzania danych czy detekcji i klasyfikacji informacji. Istotnym jest jeszcze wykorzystanie teorii przetwarzania obrazów czy zapewnienie narzędzi do ekstrakcji informacji i modelowania percepcji zmian w obrazach. Ważne jest także wykorzystanie wiedzy z zakresu medycyny, procesu interpretacji obrazów i weryfikacji ocen w niepowtarzalnych warunkach. Przykłady zastosowań wspomagania komputerowego w medycynie:

• inteligentne wspomaganie decyzji: diagnozy medyczne, zalecenia dodatkowych testów, decyzje w nagłych przypadkach
• klasyfikacja struktur: rozpoznawanie symptomów, klasyfikacja stanu zdrowia, zachowań człowieka, sensu wypowiedzi
• kontrola: sprawdzanie dawek leków, możliwych interakcji leków, potencjalnych przeciwwskazań
• planowanie: terapii, diety, optymalizacja działań w trakcie jej przebiegu
• sterowanie: urządzeń podtrzymujących funkcje życiowe, monitorowanie stanu pacjenta i ostrzeganie w sytuacjach kryzysowych
• analiza obrazów: rozpoznawanie i interpretacja obrazów z aparatury medycznej, kontrola jakości obrazu
• detekcja regularności: wykrywanie niebezpiecznych symptomów w sygnałach EKG, EEG i innych
• separacja sygnałów z wielu źródeł: oczyszczanie obrazów z szumów, filtracja sygnałów elektrycznych (np. mrugania powiek z EEG)
• prognozowanie: rozwoju choroby
• gry strategiczne: uczenie się na błędach w symulowanej rzeczywistości
• szukanie wiedzy w medycznych bazach danych, wniosków z obserwacji, inteligentne szukanie informacji (szukanie semantyczne)
• selekcja cech: na co warto zwrócić uwagę
• redukcja wymiarowości problemu, możliwości oglądania danych w relacji do innych
• optymalizacja wielokryterialna i optymalne spełnianie ograniczeń
• zrozumienie umysłu: doświadczeń psychologicznych, sposobu rozumowania i kategoryzacji, poruszania się i planowania, procesów uczenia - przydatne każdemu
• opieka pooperacyjna (wymaga dużego doświadczenia), wspomaganie decyzji w oparciu o monitorowanie symptomów i obserwację oczekiwanych zmian
• określenie składu pozajelitowego odżywiania noworodków na oddziałach intensywnej opieki (system ekspertowy)
• zarządzanie systemem sztucznego oddychania dla oddziałów intensywnej opieki (system ekspertowy)

Rynek diagnostyki obrazowej

Rynek Polski

Według raportu PMR „Rynek diagnostyki obrazowej w Polsce 2012. Prognozy rozwoju na lata 2012-2014” rynek diagnostyki obrazowej w 2012r. szacunkowo osiągnął wartość 882 mln zł, a w latach 2012-2014 ten segment sprzedaży wzrośnie średniorocznie o 14%. Stymulatorem tak szybkiego rozwoju są fundusze unijne oraz zmiana polityki zdrowotnej państwa. Zgodnie z prognozami w 2013r. rynek diagnostyki obrazowej przekroczy 1mld zł.

Rynki zagraniczne

Do 2010 roku przeprowadzono na cały świecie ok. 5 mld badań obrazowania diagnostycznym. Przeszło 50% całkowitej ekspozycji na promieniowanie jonizujące w Stanach Zjednoczonych to promieniowanie z obrazowania medycznego.

Przypisy

Bibliografia

• Stefan Kruś (red.): Anatomia Patologiczna. Warszawa: PZWL, 2000. ISBN 83-200-2381-5.
• Szczęsny Leszek Zgliczyński (red.): Radiologia. Warszawa: PZWL, 1983. ISBN 83-200-1295-3.
• Bogdan Pruszyński (red.): Radiologia. Diagnostyka obrazowa.. Warszawa: PZWL, 2008. ISBN 978-83-200-3666-4.
• Jerzy Mastalerski, Jerzy Walecki: Leksykon radiologii. Warszawa: Fundacja im. prof. L. Rydygiera, 1992.
• Bogdan Pruszyński: Diagnostyka obrazowa. Podstawy teoretyczne i metody badań. Warszawa.
• Bogdan Pruszyński: Wskazania do badań obrazowych. Warszawa.
• Elżbieta Trzebiatowska: Praktyczny poradnik rezonansu magnetycznego. Warszawa.
• Frank W. Tishendorf: Diagnostyka obrazowa. Mały atlas badań klinicznych i diagnostyki różnicowej. Warszawa.
• Matthias Hofer: Podręcznik tomografii komputerowej. Warszawa.
• Mathias Prokop: Spiralna i wielorzędowa tomografia komputerowa człowieka. Warszawa.
• N. M. Major, W. R. Webb: Tomografia komputerowa. Zastosowanie kliniczne. Warszawa: 1992.
• J. Walecki: Rezonans magnetyczny i tomografia komputerowa w praktyce klinicznej. Warszawa.
• http://www.cs.put.poznan.pl/kkrawiec/zim/diagnostykaObrazowa.pdf
• http://www.paiz.gov.pl/files/?id_plik=14407