Tecniche di Post-processing. Tsrm Dr. Daniele Di Di Feo Dir U.O. Dr C.Fonda A.O.U. Meyer Firenze

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1 Tecniche di Post-processing Tsrm Dr. Daniele Di Di Feo Dir U.O. Dr C.Fonda A.O.U. Meyer Firenze

2 introduzioni Gli algoritmi di visualizzazione tridimensionale richiedono l uso di dati di tipo volumetrico,, cioè che definiscano una regione tridimensionale nello spazio. Questo tipo di dati provengono generalmente da modalità di acquisizione di tipo topografico cioè in grado di acquisire volumi di dati di tipo tridimensionali

3 TCS single-slice TCS multi-slice Acquisizione volumetrica VOXEL ANISOTROPICO X=Y Z VOXEL ISOTROPICO X=Y=Z

4 Voxel: : Anisotropia ed isotropia dati Single slice (512*512) pixel Th 5mm 16 slice (512*512) pixel Th slice (512*512) pixel Th 0.625

5 La condizione ideale si ha quando i voxel sono isotropici Nel caso in cui questo non avvenga, il volume sarà sottoposto ad interpolazione che introduce errori tanto piu gravi quanto piu la forma differisca da quella cubica

6 Flusso processo radiologico

7 Sintesi di rielaborazione

8 Tecniche di ricostruzioni Bidimensionali : retroricostruzioni con kernel e fov differenti MPR Tridimensionali: MIP Min-IP SSD perspective rendering VRT

9 MPR MPR: Multilplanar reformation È il piu semplice e comune metodo di rappresentazione dei dati In tc il dataset è costituito da una serie di slice assiali parallele e (contigue?) tra loro, può essere pensato come un unico voxel 3d. Utilizza generalmente l agoritmol Average Intensity Projection (AIP)

10 MPR tali dati possono essere ricostruti su piani diversi da quelli principali (assiali, coronali, sagittali) prendendo angoli e direzioni variabili compresi piani curvi Attenzione: le misurazioni su piani curvi possono essere distorte

11 MPR

12 MPR su piano curvo

13 MPR

14 MIP, MIN, RAY SUM, AIP 1. I dati di partenza sono costituiti da una serie di slice tra loro parallele ed equidistanti 2. stabilita una direzione di proiezione si individuano una serie di raggi paralleli alla direzione di proiezione che attraversano le slice 3. Per ogni raggio avremo quindi una serie di valori corrispondente all intensità di segnale del pixel attraversato in ogni slice

15 MIP, MIN, RAY SUM, AIP

16 MIP MIP: maximum intensity projection tra tutti i valori viene scelto quello di valore massimo, che viene riportato sull immagine proiettata che costituisce la visione 3D desiderata

17 MIP

18 MIP Utilizza il10% dei dati complessivi: utilizzo storico per RAM limitate

19 Mip-thin Talvolta onde evitare sotto o sovrastime di eventuali lesioni (es stenosi di vasi) conviene utilizzare il Thin MIP cioè una sovrapposizione di volumi con spessori inferiori a quello totale

20 MIP-Thin

21 MIN-IP IP MIN-IP: IP: minumum intensity projection tra tutti i valori viene scelto quello di valore minimo,, che viene riportato sull immagine proiettata che costituisce la visione 3D desiderata

22 MIN-IP IP

23 Raysum tutti i valori ottenuti vengono sommati e il valore risultante viene riportata sull immagine proiettata. È poco utilizzato

24 Average Intensity Projection AIP: Intensità media di proiezione L'immagine rappresenta la media del valore di attenuazione (TC) intensità di segnale (RM) di ciascun componente incontrate da un raggio attraverso un oggetto verso l'occhio del telespettatore. Partendo da un MPR con uno spessore di solo 1 pixel (es. 0,5-0,8 0,8 mm), l l AIP può essere utilizzato per produrre immagini che hanno un aspetto simile al tradizionale assiale per quanto riguarda le immagini a bassa risoluzione di contrasto. Questo può essere utile per caratterizzare le strutture interne di un organo solido o le pareti della cavità di strutture come i vasi sanguigni o l'intestino.

25 AIP AIP utilizza la media attenuazione dei dati per calcolare il valore previsto. È il classico algoritmo che viene utilizzato negli MPR

26 AIP (a), coronale riformattato immagine creata con uno spessore di default di 1 pixel (circa 0.8 mm). (b) riformatt. di 4 millimetri utilizzando AIP l'immagine con meno rumore migliore risoluzione di contrasto.

27 MIN-IP AIP MIP

28 3D Correntemente il termine volume rendering è utilizzato oltre che per riferirsi a elaborazioni tridimensionale di volume vere e proprie anche ad elaborazioni 3D di superficie o gli approcci a proiezioni quali MIP SSD Perspective Volume Rendering VRT

29 Elaborazione tridimensionali di superficie consistono in algoritmi che approssimano la superficie dell oggetto in studio ad insiemi di primitive bidimensioli (generalmente poligoni o triangoli) adiacenti tra loro Spesso sono associati schede video dedicate che visualizzano tali poligoni dando così un effetto 3D

30 Elaborazione tridimensionali di superficie

31 Maggiore è il numero di poligoni utilizzati maggiore è l accuratezza della ricostruzione.

32 Opportuni algoritmi associano infine effetti di diffusione e riflessione della luce (SHADING) aumentando l l illusione di tridimensionalità.

33 studi di superficie vantaggi riduzione dei dati da elaborare ad una lista di poligoni ed all elenco delle connessione tra gli stessi con la riduzione dei tempi di calcolo. svantaggi necessità di separare, o segmentare l oggetto di interesse dagli oggetti adiacenti: un errore in questa fase porta ad un errore nella rappresentazione 3D.

34 SSD SSD: Shaded surface display o surface rendering è una tecnica di rendering di superficie con cui si ottengono i modelli 3d di aspetto plastico a cui è possibile attribuire diverse colorazioni ed effetti di trasparenza/opacità con estrema facilità La procedura si basa sull esclusione dal volume acquisito di origine, di tutti i voxel che non rispettano la condizione di soglia densitometrica (threshold range). l operatore dispone di altri strumenti per selezionare e deselezionare parti di volume di partenza al di làl delle differenze di densitometrie ad esempio inclusione od esclusione di strutture isodenze in base al ritaglio manuale.

35

36 SEGMENTAZIONE Il limite fondamentale nell approccio a superfici è la necessità di separare, o segmentare, l oggetto l di interesse dagli oggetti adiacenti: : un errore in questa fase porta ad un errore nella rappresentazione 3D. Metodi di segmentazione: A soglia di intensità che discriminano un tessuto dall altro. altro. In questo caso alcune regioni dell immagine verranno utilizzate mentre altre verranno scartate. A contorni attraverso i quali vengono definite le forme anatomiche.

37 Segmentazione (1) A B A: approccio a contorni B: approccio a soglia

38 Segmentazione (2) La Segmentazione non è altro che l azione di includere o escludere alcune porzioni di immagine per evidenziare selettivamente le strutture di interesse

39 Region-of of-interest Editing È il metodo di segmentazione più semplice. Con una sorta di bisturi virtuale (sagomato o a mano libera) possiamo decidere se includere od escludere quindi rimuovere una regione di interesse Alcuni software danno la possibilità di rimuovere anticipatamente oggetti su ogni immagine assiale, mentre altri consentono la rimozione di oggetti o bidimensionale o immagini 3D.

40 Segmentazione

41 Perspective Volume Rendering (1) assume un punto di vista a distanza finita,, (di solito all'interno di un lume), e viene utilizzato per simulare l'endoscopia a fibra ottica. Piuttosto che essere raggi di luce paralleli, le proiezioni sono raggi di luce concentrata a convergere sul punto di vista,, che simula la luce naturale convergenza sulla retina umana. La conseguente distorsione facilita la percezione della distanza sulla base delle dimensioni oggetto.

42 Perspective Volume Rendering (2) Oggetti in prossimità del punto di vista appaiono grandi, mentre oggetti distanti sembrano piccoli può essere utile nella pianificazione delle procedure endoscopiche e può facilitare un apprezzamento intuitiva dei rapporti tra strutture anatomiche

43 Perspective Volume-Rendering

44 Volume rendering In senso rigoroso si intende un processo che fornisce una rappresentazione di dati senza utilizzare processi di segmentazione intermedi impliciti od espliciti. preserva l l informazione contenuta nei dati volumetrici. direct volume rendering (rendering volumetrico diretto) per caratterizzare il fatto che la visualizzazione tridimensionale opera direttamente sul volume dei dati senza utilizzare rappresentazion intermedie.

45 Volume rendering caratterizzazione dei voxel del volume rispetto ad una sorgente luminosa incidente. L informazione che possediamo è il livello di grigio o il valore di intensità del segnale associato al singolo voxel. Solitamente ad un voxel vengono associate 2 caratteristiche fondamentali: 1. opacità ( cioè la quantità di luce che può attraversare il voxel) 2. shading ( cioè il modo con cui il voxel riflette o diffonde la luce che lo colpisce).

46 Fig 7.1 Algoritmo di base vrt una matrice di voxel viene illuminato da una o piu sorgenti luminose I raggi luminosi provenienti dalle sorgenti vengono riflessi o diffusi dai voxel del volume sulla base delle loro caratteristiche. Alcuni raggi riflessi viaggiano in direzione di uin osservatore e vanno a formare una immagine che rappresenta il volume 3D visto da un osservatore da un certo punto di vista.

47 Funzione di opacità L opacità del voxel è un volore variabile : 0 o 0%(voxel trasparente e quindi invisibile) 1 o 100% (voxel( completamente opaco e quindi nasconderà completamente i voxel dietro esso) I valori intermedi rappresentano condizioni di semitrasparenza

48 Funzione di opacità

49 n.b. la corrispondenza tra valore di intensità del voxel e grado di trasparenza può essere decisa dall utente per ottenere l effetto l grafico voluto. Es. in immagini tc cerebrali se 0= opacità tessuti molli, si evindezierà il renbdering delle ossa craniche, se è 0,5 osserveremo i tessuti molli in trasparenza e dietro essi le ossa.

50 Funzione di shading associa ad ogni voxel i parametri che definiscono come il voxel stesso risponde alle sorgenti di illuminazione che vengono utilizzate. si tratta di calcolare l angolo l tra la luce proveniente da una sorgente ed una superficie che descrive l l oggetto da visualizzare e calcolare la luce riflessa e diffusa in base all angolo di incidenza ed alle proprietà che vengono assegnate alla superficie in esame.

51 Vrt Vs SSD Quello che differenzia il caso del rendering volumetrico è che, visto che si opera direttamente sul volume dei dati, non è definita alcuna superficie. Si deve estrarre quindi una superficie virtuale dai dati che viene utilizzata solo per il calcolo delle condizioni di illuminazione. Il metodo piu semplice è quello di calcolare il cosiddetto gradiente del volume dei dati: GRADIENTE DEL VOLUME DEI DATI: è la differenza tra il valore del voxel stesso ed il valore dei voxel adiacenti: nelle regioni del volume dove l l intensità dei voxel è costante avremo un valore basso o nullo di gradiente, mentre nelle regioni dove sono presenti delle discontinuit tinuità avremo valori piu alti. Scegliendo la mappa di gradiente opportunamente filtrata come c superficie virtuale per il calcolo dell illuminazione simuleremo l effetto della riflessione della luce sui bordi degli oggetti

52 A= funzione di opacità B= funzione di opacità e shading

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54

55 Fig 5 a b c d

56 Volume rendering Vantaggi tutte le informazioni contenute nei dati vengono mantenute durante tutte le fasi di ricostruzione: è possibile quindi ritagliare in modo interattivo alcune zone dell immagine tridimensionale per poter esaminare anche regioni interne (non possibile nell approccio a superfici ) È la possibilità di rendere semitrasparente o trasparente alcune zone dell organo in esame per meglio evidenziare le zone piu interne. Svantaggi Lo svantaggio principale delle tecniche volumetriche è dato dalla grande mole di dati da manipolare nelle varie fasi dell algoritmo: lunghi tempi di elaborazione.

57 Vassel view Sono software che associano vari tipi di rielaborazioni al fine di avere misure ed indicatori di patologia oggettivi Infatti uno dei problemi fondamentali è dato dalla definizione dei calibri reali dei vasi che si dispongono nello sapzio su piani curvi

58 È fondamentale conoscere i limiti delle ricostruzioni per non incorrere in gravi errori Nelle immagini la stessa lesione varia da 4 a 2 mm variando i parametri di rielaborazione: stenosi del 35%, 55% e 65%,

59 Ma attenzione!!!

60 Ma attenzione!!!

61 i i computer sono inutili, possono dare solo risposte Pablo Picasso

62

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