Le regioni di interesse (ROI) e le curve

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1 Le regioni di interesse (ROI) e le curve UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO Materiale didattico a cura della Dott.ssa Michela Lecchi

2 Immagine digitale Immagine analogica: la variabile rappresentata è continua Immagine digitale: la variabile rappresentata è discreta le dimensioni delle unità elementari (pixel) sono finite MATRICE NUMERICA + SCALA DI COLORE

3 La matrice numerica in Medicina Nucleare: i conteggi Ad ogni pixel della matrice corrisponde un elemento di volume nel corpo del paziente. Il valore numerico del pixel corrisponde al numero di fotoni rivelati (conteggio) provenienti dall elemento di volume corrispondente.

4 La matrice numerica in PET: la concentrazione di attività Le diverse correzioni applicate alle immagini PET (x l attenuazione, gli eventi diffusi, gli eventi casuali, il decadimento) fanno si che i conteggi rivelati possano essere trasformati in concentrazioni di radioattività (kbq/ml).

5 La matrice numerica in PET/TC: il SUV (indice di accumulo regionale del radiotracciante) SUV = A c, A tissue o SUV = Standardized Uptake Value A c,tissue = valore di conteggio nel pixel M A o = attività iniettata M = Massa del paziente L impiego del SUV permette di: paragonare le differenze di captazione tra diverse regioni del corpo paragonare esami PET successivi dello stesso paziente

6 Le regioni di interesse (ROI) I processi di elaborazione vengono applicati al contenuto numerico dei pixel che corrispondono alla porzione di immagine di interesse, chiamata regione di interesse o ROI (region of interest). Es.: Scintigrafia renale Selezione del contenuto dei pixel corrispondenti ai reni per l analisi della funzionalità renale

7 Rappresentazione del contenuto di una ROI Frequenza Istogramma ROI Contenuto pixel (numero conteggi) Massimo numero di conteggio = 8 Minimo numero di conteggio = 1 Media conteggio = 4, 6

8 Rappresentazione del contenuto di una ROI Profilo lungo una linea (colonna) Posizione pixel Contenuto pixel (conteggio)

9 Le regioni di interesse (ROI) Entro i pacchetti di elaborazione delle immagini sono di norma comprese applicazioni che permettono: la creazione delle ROI; la gestione delle ROI (x es.: spostare o copiare una ROI, allargare o stringere una ROI); l analisi statistica relativa al contenuto delle ROI.

10 Creazioni di ROI La creazione di una ROI prevede in primo luogo la scelta la scelta del tipo di regione da disegnare: Circolari o ellittiche Rettangolari o quadrate Irregolari

11 Le ROI irregolari Le ROI irregolari consentono di selezionare una parte di immagine corrispondente ad un organo (segnale), seguendone il contorno sulla immagine ed escludendo i tessuti circostanti (fondo o background) che possono alterare la successiva analisi statistica.

12 Le ROI irregolari: metodi di creazione METODO VISIVO (o manuale): l operatore contorna il segnale secondo la propria esperienza utilizzando il mouse della stazione di elaborazione SVANTAGGIO: Metodo intra- ed inter- operatore dipendente

13 Le ROI irregolari: metodi di creazione METODI AUTOMATICI (maggiore riproducibilità): metodi basati sul livello dei conteggi (METODI A SOGLIA): tutti i pixel che soddisfano un determinato criterio sono considerati appartenere alla ROI Es.: Soglie al 40% e all 80% del valore massimo Profilo Max 80% 40% 80% 40% Posizione pixel

14 Es.: Soglie PET al 1%, 40% e 0% del valore massimo del SUV Threshold method % max SUV 1% 40% (most common) 0%

15 Le ROI irregolari: metodi di creazione METODI AUTOMATICI (maggiore riproducibilità): metodi basati sulle derivate (spaziali) dei conteggi: operano in un sottoinsieme dell immagine comprendente l oggetto di interesse (master ROI) cercando le differenze di conteggio fra un pixel e quello adiacente. Quando questa differenza supera un valore di tolleranza, viene disegnato il profilo della ROI.

16 Effetto di volume parziale (problema nella creazione delle ROI) L effetto di volume parziale influenza l analisi statistica e l accuratezza di determinazione dei confini di oggetti con dimensioni maggiori di 2 o 3 volte la risoluzione spaziale del tomografo. Oggetto reale (10 mm) Segnale in PET

17 Es.: Sfere di diametro 10, 12, 16, 22, 28 e 34 mm contenute in un fantoccio cilindrico immagine TC (risoluzione spaziale 1 mm) immagine PET (risoluzione spaziale mm)

18 Gestione delle ROI Ogni ROI è identificata da un numero o lettera progressivo ed è spesso visualizzata in un colore diverso. Principali operazioni: Muovere una ROI sullo schermo Copiare una ROI in un altra immagine Eseguire una copia riflessa di una ROI Queste operazioni permettono una economia di tempo e assicurano la confrontabilità dei risultati dell analisi statistica del contenuto delle ROI.

19 Analisi del contenuto numerico L ottenimento di valori e statistiche relativi al contenuto delle ROI è un passaggio fondamentale per tutte le elaborazioni quantitative. Principali valori ottenibili con le ROI: l area e il perimetro della ROI (in pixel o mm) il conteggio medio per pixel il conteggio totale (somma dei conteggi dei pixel della ROI) il conteggio massimo e minimo presenti nella ROI le coordinate del pixel di massimo e di minimo

20 Valori semi-quantitativi I risultati dell analisi statistica dei conteggi delle ROI possono essere ulteriormente processati al fine di ottenere informazioni semi-quantitative utili ai fini dell esame diagnostico. Es.: Software Basal Ganglia per l analisi delle immagini ottenute con il radiofarmaco DATSCAN

21 Le curve I programmi ed i comandi relativi alla produzione ed al trattamento delle curve sono una parte fondamentale nel pacchetto per l elaborazione delle immagini di Medicina Nucleare. Sono di norma comprese applicazioni che permettono: la creazione delle curve; la gestione delle curve; algebra; procedure di interpolazione.

22 Creazione delle curve Prerequisito: definizione di una o più ROI. Es.: Creazione di un profilo o distribuzione spaziale della radioattività Immagine PET (senza correzione per l attenuazione) e corrispondente profilo di un fantoccio cilindrico uniformemente riempito di 18 F

23 Es.: Scintigrafia renale dinamica e curva attività-tempo Creazione delle ROI su un immagine Replicazione delle ROI sulla serie di frames Acquisizione di una serie di immagini (frames) planari a diversi tempi dalla somministrazione del radiofarmaco Creazione curva attività-tempo

24 Operazioni matematiche sulle curve Principali operazioni: Algebriche (somma, sottrazione, moltiplicazione ) Normalizzazione (moltiplicazione per una costante al fine di confrontare tra loro diverse curve) Creazione della curva logaritmica per ottenere grafici semi-logaritmici Calcolo della derivata Interpolazione (fitting) dei dati sperimentali con funzioni matematiche di vario tipo

25 Es.: Metodo del fitting analitico per la correzione degli eventi diffusi in PET Fit Interpolazione dei dati delle code con una funzione gaussiana al fine di stimare la distruzione degli eventi diffusi anche nella regione dell immagine occupata dal segnale dell oggetto di interesse

26 Altri processi di elaborazione del contenuto numerico delle immagini

27 Normalizzazione spaziale

28 Statistical parametric mapping (SPM) Immagini Filtro Matrice del modello Statistical Parametric Map Riallineamento Filtraggio Modello statistico Normalizzazione Tamplate Stima parametrica