خلاصه

تصویربرداری پزشکی روشی است که برای به دست آوردن تصاویری از اعضای بدن برای مصارف پزشکی به منظور شناسایی یا مطالعه بیماری ها استفاده می شود. میلیون ها روش تصویربرداری هر هفته در سراسر جهان انجام می شود. تصویربرداری پزشکی به دلیل پیشرفت در تکنیک های پردازش تصویر از جمله تشخیص، تجزیه و تحلیل و بهبود تصویر به سرعت در حال توسعه است. پردازش تصویر درصد و مقدار بافت های شناسایی شده را افزایش می دهد. این فصل کاربرد تکنیک های ساده و پیچیده آنالیز تصویر را در زمینه تصویربرداری پزشکی ارائه می دهد. این فصل همچنین چگونگی نمونه‌سازی چالش‌های تفسیر تصویر را با استفاده از الگوریتم‌های مختلف پردازش تصویر مانند k-means، تقسیم‌بندی مبتنی بر ROI، و تکنیک‌های حوضه خلاصه می‌کند.

1. مقدمه

تصویربرداری پزشکی فرآیند تولید تصاویر قابل مشاهده از ساختارهای داخلی بدن برای مطالعه و درمان علمی و دارویی و همچنین نمای مرئی از عملکرد بافت های داخلی است. این فرآیند شناسایی و مدیریت اختلال را دنبال می کند. این فرآیند یک بانک داده از ساختار و عملکرد منظم اندام ها ایجاد می کند تا تشخیص ناهنجاری ها را آسان کند. این فرآیند شامل تصویربرداری آلی و رادیولوژیکی است که از انرژی های الکترومغناطیسی (اشعه ایکس و گاما)، سونوگرافی، مغناطیسی، اسکوپ و تصویربرداری حرارتی و ایزوتوپی استفاده می کند. بسیاری از فناوری های دیگر برای ثبت اطلاعات در مورد مکان و عملکرد بدن استفاده می شود. این تکنیک ها در مقایسه با مدوله هایی که تصاویر را تولید می کنند، محدودیت های زیادی دارند. سالانه میلیاردها تصویر در سراسر جهان برای اهداف تشخیصی مختلف انجام می شود. حدود نیمی از آنها از مدوله های تشعشعات یونیزان و غیریون ساز استفاده می کنند. تصویربرداری پزشکی تصاویری از ساختارهای داخلی بدن بدون روش های تهاجمی تولید می کند. این تصاویر با استفاده از پردازشگرهای سریع و به دلیل تبدیل انرژی ها به صورت حسابی و منطقی به سیگنال تولید شدند. این سیگنال ها بعداً به تصاویر دیجیتال تبدیل می شوند. این سیگنال ها نشان دهنده انواع مختلف بافت های داخل بدن هستند.

تصاویر دیجیتال نقش ضروری را به صورت روزانه ایفا می کنند. پردازش تصویربرداری پزشکی به پردازش تصاویر با استفاده از رایانه اشاره دارد. این پردازش شامل انواع مختلفی از تکنیک ها و عملیات مانند به دست آوردن تصویر، ذخیره سازی، ارائه و ارتباطات است. تصویر تابعی است که نشان‌دهنده معیاری از ویژگی‌هایی مانند روشنایی یا رنگ یک منظره مشاهده‌شده است. تصاویر دیجیتال دارای مزایای متعددی از جمله هزینه پردازش سریعتر و ارزان تر، ذخیره سازی و ارتباط آسان، ارزیابی فوری کیفیت، کپی های متعدد با حفظ کیفیت، تولید مثل سریع و ارزان و دستکاری قابل تطبیق هستند. از معایب تصاویر دیجیتال می توان به بهره برداری از کپی رایت، عدم توانایی در تغییر اندازه با حفظ کیفیت، نیاز به حافظه با ظرفیت زیاد و نیاز به یک پردازنده سریعتر برای دستکاری اشاره کرد.

تکنیک پردازش تصویر استفاده از کامپیوتر برای دستکاری تصاویر دیجیتال است. این تکنیک مزایای زیادی مانند کشش، سازگاری، ذخیره سازی داده ها و ارتباطات دارد. با رشد تکنیک های مختلف تغییر اندازه تصویر، می توان تصاویر را به طور موثر نگه داشت. این تکنیک دارای مجموعه قوانین زیادی برای اجرای همزمان در تصاویر است. تصاویر دو بعدی و سه بعدی را می توان در ابعاد مختلف پردازش کرد. تکنیک های پردازش تصویر در دهه 1960 پایه گذاری شد. این تکنیک‌ها برای زمینه‌های مختلفی مانند فضا، اهداف بالینی، هنر و بهبود تصویر تلویزیونی مورد استفاده قرار گرفتند. در دهه 1970 با توسعه سیستم های کامپیوتری، هزینه پردازش تصویر کمتر و سریعتر شد. در دهه 2000، پردازش تصویر سریع‌تر، ارزان‌تر و ساده‌تر شد.

سیستم بینایی انسان یکی از پیچیده ترین طرح هایی است که تاکنون وجود داشته است. این سیستم به موجودات زنده اجازه می دهد تا عناصر پیچیده بسیاری را در محیط بیرونی خود سازماندهی و درک کنند. سیستم بینایی شامل چشمی است که نور را به سیگنال‌های عصبی تبدیل می‌کند و بخش‌های مرتبط مغز که آن سیگنال‌ها را پردازش می‌کند و داده‌های ضروری را استخراج می‌کند. چشم انسان یک ساختار استوانه ای دو طرفه است که در قسمت قدامی در جمجمه قرار دارد. قطر چشم ها به دو صورت عرضی و عرضی 2.5 سانتی متر است. در وسط کره چشم، ساختار سیاه شده ای به نام مردمک وجود دارد. این سیستم به نور اجازه عبور از چشم را می دهد. این سیستم زمانی که در معرض منبع نور سنگین تری قرار می گیرد باریک می شود. این نور شبکیه را کاهش می دهد و روند بینایی را افزایش می دهد. عضلات زیادی اطراف چشم هستند که گشاد شدن مردمک را کنترل می کنند. چشم همیشه دارای ساختارهایی به نام صلبیه است. عدسی یک قسمت لیگامانی است که در پشت قرنیه قرار دارد. شکل عدسی به دلیل انقباض عضلانی به طور مداوم تغییر می کند.

کره چشم

نور در قسمت میانی چشم متمرکز می شود و از قرنیه و عدسی روی شبکیه متمرکز می شود. فووئا بر تصویر روی شبکیه تاکید می کند. در نهایت، مغز جزئیات و رنگ ها را با استفاده از ادراک خود از طریق فرآیندهای متعدد شکل می دهد.

2. طبقه بندی تصاویر دیجیتال

تصاویر دیجیتال دارای دو نوع تصویر اصلی هستند. یک تصویر شطرنجی به عنوان یک آرایش چهار وجهی از مقادیر نمونه‌برداری مکرر به نام پیکسل توصیف می‌شود. تصاویر دیجیتال معمولاً تصاویر غیرقابل دسترسی هستند و شامل تفاوت های رنگی چند وجهی می شوند. تصاویر دیجیتال با توجه به اندازه پیکسل هایشان وضوح تصویر ثابتی دارند. تصاویر دیجیتال در فرآیند تغییر اندازه به دلیل برخی از داده های از دست رفته کیفیت خود را از دست می دهند. تصاویر دیجیتال به دلیل داشتن سایه های رنگی خوب عمدتاً در تصاویر عکاسی استفاده می شوند. ابزار به دست آوردن تصویر وضوح را کنترل می کند. تصاویر دیجیتال شامل فرمت های بسیاری مانند BMP (بیت مپ ویندوز)، TIFF (فرمت تگ Interleave)، PCX (ماشین نقاشی)، PNG (گرافیک شبکه قابل حمل) و غیره است.

بردار به عنوان یک جسم چروکیده و خمیده توصیف می شود که دقیقاً توسط رایانه تعریف می شود. وکتور دارای کیفیت های زیادی مانند عرض خط، ابعاد و رنگ است. بردارها تصاویری هستند که به راحتی مقیاس پذیر هستند و می توانند در اندازه های مختلف بدون تغییر در کیفیت آنها بازتولید شوند. وکتورها برای طراحی، نقاشی خط و نمودار مناسب هستند.

3. کاربردهای پردازش تصویر دیجیتال

پردازش تصویر دیجیتال کاربردهای زیادی در زمینه پزشکی دارد از جمله:

3.1 پزشکی

در پزشکی، تکنیک های زیادی مانند تقسیم بندی و تجزیه و تحلیل بافت استفاده می شود که برای شناسایی سرطان و سایر اختلالات استفاده می شود. امروزه روش‌های ثبت و ادغام تصویر به‌طور گسترده به‌ویژه در روش‌های جدید مانند PET-CT و PET-MRI مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زمینه بیوانفورماتیک، پزشکی از راه دور و تکنیک های فشرده سازی بدون فرمت برای ارتباط تصویر از راه دور استفاده می شود .

3.2 پزشکی قانونی

تکنیک های رایج مورد استفاده در این زمینه عبارتند از: تشخیص لبه، تطبیق الگو، حذف نویز، امنیت و اهداف بیومتریک مانند اسناد هویت، چهره و اثر انگشت. پزشکی قانونی بر اساس اطلاعات پایگاه داده در مورد افراد است. پزشکی قانونی داده های ورودی (اثرانگشت، چشم، عکس و غیره) را با پایگاه داده مطابقت می دهد تا هویت فرد را مشخص کند.

4. سیستم های تصویربرداری پزشکی

سیستم های تصویربرداری پزشکی از سیگنال های دریافتی از بیمار برای تولید تصاویر استفاده می کنند. سیستم های تصویربرداری پزشکی از منابع یونیزه کننده و غیریونیزه کننده استفاده می کنند.

4.1 سیستم های تصویربرداری اشعه ایکس

از زمان کشف اشعه ایکس توسط دانشمند آلمانی رونتگن، اشعه ایکس برای تصویربرداری از اعضای بدن برای اهداف تشخیصی استفاده شده است. در یک لوله اشعه ایکس، الکترون ها در کاتد از طریق یک فرآیند انتشار حرارتی تولید می شوند و از طریق اختلاف پتانسیل 50-150 VK شتاب می گیرند. الکترون ها برای تولید اشعه ایکس به آند برخورد می کنند. تنها 1% از این انرژی به اشعه ایکس تبدیل می شود و مقدار باقی مانده به گرما تبدیل می شود .

لوله اشعه ایکس.

در دستگاه های اشعه ایکس، تصاویر به صورت پلان های دو بعدی از قسمت مورد بررسی بدن تولید می شوند. از سیستم فلوروسکوپی برای اسکن اندام های متحرک استفاده می شود. تصاویر به دست آمده را می توان از طریق ماشین های مختلف نمایش، ذخیره و ارتباط برقرار کرد. رادیوگرافی کامپیوتری (CT) از گیرنده های تصویر برای تولید تصویر استفاده می کند. اشعه ایکس با یک صفحه پوشیده شده با یک دستگاه ذخیره فسفر همراه است. تصویربرداری ماموگرافی برای افتراق بین بافت پستان و بیماری های مختلف استفاده می شود. تصویربرداری ماموگرافی در مقایسه با تصویربرداری ساختار استخوانی انرژی کمتری مصرف می کند. محدوده اختلاف پتانسیل استفاده شده 15-40 کیلو ولت است.

تصویر ماموگرافی

4.2 توموگرافی کامپیوتری (CT)

در این روش، تصاویر در ابعاد چندگانه به جای رادیوگرافی معمولی تولید می شوند. سی تی اسکن برش های متعددی از بافت های بدن را در جهات مختلف تولید می کند. در یک سی تی اسکن، بیمار در داخل دیافراگم آن قرار می گیرد و توسط یک لوله اشعه ایکس چرخان در همه جهات اسکن می شود.

سی تی اسکنر.

4.3 پزشکی هسته ای

این روش تصویربرداری از رادیو ایزوتوپ ها برای تولید تصاویری در مورد عملکرد ساختارهای مختلف مانند قلب، کلیه و کبد استفاده می کند. رادیو ایزوتوپ ها توسط مواد دارویی برچسب گذاری می شوند تا به اندام های خاصی هدایت شوند. فوتون های ساطع شده از بیمار در آشکارسازها دریافت می شود و به سیگنال تبدیل می شود. این سیگنال ها به تصاویر دیجیتال قابل تفسیر تبدیل می شوند. انواع مختلفی از روش‌های اسکن پزشکی هسته‌ای مانند انتشارات مسطح، توموگرافی و پوزیترون وجود دارد. انتشار مسطح تصاویر دوبعدی تولید می کند. هر دو انتشار توموگرافی و پوزیترون تصاویر سه بعدی تولید می کنند .

تصویربرداری پزشکی هسته ای

4.4 سونوگرافی

اولتراسوند تکنیکی است که از امواج صوتی با فرکانس بالا برای تولید تصاویری از ساختار داخلی بدن از پژواک های برگشتی استفاده می کند. سونوگرافی شبیه به روش تعیین مکان است که توسط برخی از حیوانات مانند خفاش ها و نهنگ ها در طبیعت استفاده می شود. امواج اولتراسوند در پالس های با فرکانس بالا با استفاده از یک مبدل به بدن منتقل می شود، زیرا این امواج در بافت های بدن حرکت می کنند. برخی از آن امواج جذب می شوند و برخی به عقب منعکس می شوند. امواج منعکس شده توسط مبدل دریافت و به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند. آن سیگنال های الکتریکی به سیگنال های دیجیتال تبدیل می شوند و از طریق سیستم کامپیوتری عبور می کنند. سیستم کامپیوتری از محاسبات محاسباتی و منطقی برای تشکیل تصویر دو بعدی از ساختارهای اسکن شده استفاده می کند. در سیستم اولتراسونیک هزاران پالس در هر میلی ثانیه ارسال می شود. تکنیک های تصویربرداری زیادی برای بهبود تصاویر اولتراسوند استفاده می شود.