An Engineering View on Megatrends in Radiology: Digitization to Quantitative Tools of Medicine

Within six months of the discovery of X-ray in 1895, the technology was used to scan the interior of the human body, paving the way for many innovations in the field of medicine, including an ultrasound device in 1950, a CT scanner in 1972, and MRI in 1980. More recent decades have witnessed developments such as digital imaging using a picture archiving and communication system, computer-aided detection/diagnosis, organ-specific workstations, and molecular, functional, and quantitative imaging. One of the latest technical breakthrough in the field of radiology has been imaging genomics and robotic interventions for biopsy and theragnosis. This review provides an engineering perspective on these developments and several other megatrends in radiology.

An approach to automatically segment the media-adventitia borders in IVUS / Uma associação de técnicas para segmentação automática da fronteira da média-adventícia em IVUS

Por ser capaz de mostrar aspectos morfológicos e patológicos de ateroscleroses, o Ultrassom Intravascular (IVUS) se tornou uma das modalidades de imagens médicas mais confiáveis e empregadas em intervenções cardíacas. As características de sua imagem aumentam as chances de um bom diagnóstico, resultando em terapias mais precisas. O estudo de segmentação da fronteira média-adventícia, dentre muitas aplicações, é importante para o aprendizado das propriedades mecânicas e determinação de algumas medidas específicas (raio, diâmetro, etc.) em vasos e placas. Neste trabalho, uma associação de técnicas de processamento de imagens está sendo proposta para atingir alta acurácia na segmentação da borda média-adventícia. Para tanto, foi feita uma combinação das seguintes técnicas: Redução do Speckle por Difusão Anisotrópica (SRAD), Wavelet, Otsu e Morfologia Matemática. Primeiramente, é usado SRAD para atenuar os ruídos speckle. Posteriormente, é executada Transformada Wavelet para extração das características dos vasos e placas. Uma versão binarizada dessas características é criada na qual o limiar ótimo é definido por Otsu. Finalmente, é usada Morfologia Matemática para obtenção do formato da adventícia. O método proposto é avaliado ao segmentar 100 imagens de alta complexidade, obtendo uma média de Verdadeiro Positivo (TP(%)) = 92,83 ± 4,91, Falso Positivo (FP(%)) = 3,43 ± 3,47, Falso Negativo (FN(%)) = 7,17 ± 4,91, Máximo Falso Positivo (MaxFP(mm)) = 0,27 ± 0,22, Máximo Falso Negativo (MaxFN(mm)) = 0,31 ± 0,2. A eficácia do nosso método é demonstrada, comparando este resultado com outro trabalho recente na literatura.

By being able to show morphological and pathological aspects of atherosclerosis, the Intravascular Ultrasound (IVUS) be¬came one of the most reliable and employed medical imaging modality in cardiac interventions. Its image characteristics in¬crease the chances of a good diagnostic, resulting in a precise therapy. The study of media-adventitia borders segmentation in IVUS, among many applications, is important for learning about the mechanical properties and determining some specific measurements (radius, diameter, etc.) in vases and plaques. An approach is proposed to achieve high accuracy in media-adventitia borders segmentation, by making a combination of different image processing operations: Speckle Reducing Anisotropic Diffusion (SRAD), Wavelet, Otsu and Mathematical Morphology. Firstly, SRAD is applied to attenuate the speckle noise. Next, the vessel and plaque features are extracted by performing Wavelet Transform. Optimal thresholding is car¬ried out by Otsu method to create a binarized version of these features. Then, Mathematical Morphology operations are used to obtain an adventitia shape. The proposed approach is evaluated by segmenting 100 challenging images, obtaining an average of True Positive (TP(%)) = 92.83 ± 4.91, False Positive (FP(%)) = 3.43 ± 3.47, False Negative (FN(%)) = 7.17 ± 4.91, Max False Positive (MaxFP(mm)) = 0.27 ± 0.22, Max False Negative (MaxFN(mm)) = 0.31 ± 0.2. The effectiveness of our approach is demonstrated by comparing this result with another recent work in the literature.

Aplicação do algoritmo FDK para a reconstrução de imagens tomográficas multicortes / Application of the FDK algorithm for multi-slice tomographic image reconstruction

O presente trabalho consiste no estudo e aplicação do algoritmo FDK (Feldkamp-Davis-Kress) para a reconstrução de imagens tomográficas utilizando a geometria de feixe cônico, resultando na implementação de um sistema adaptado de tomografia computadorizada multicortes (TCMC). O algoritmo FDK é a base de algoritmos de retroprojeção filtrada utilizados nos equipamentos de TCMC comercializados atualmente. Para a aquisição das projeções, utilizou-se uma plataforma giratória com goniômetro acoplado, um equipamento de raios X e um detector digital tipo CCD (charge-coupled device). Para processar a reconstrução das imagens foi utilizado um computador com processador Pentium® XEONTM 3.0, no qual foi implementado o algoritmo FDK. Inicialmente foi aplicado o algoritmo FDK original, no qual se assume o caso físico ideal no processo de medições. Em seguida foram incorporadas ao algoritmo algumas correções de artefatos relacionados ao processo de medição das projeções, tais como a alteração do filtro utilizado na etapa que precede a retroprojeção, para aumentar a razão sinal ruído das imagens e uma correção digital da centralização do sistema de aquisição das projeções. Para a calibração do sistema utilizou-se um objeto com distribuição de coeficientes de atenuação linear (μ(r)) conhecida, que foi fabricado com esta finalidade. Por fim, o sistema de TCMC implementado foi utilizado na reconstrução tomográfica multicortes de um objeto não homogêneo, cuja distribuição μ(r) é desconhecida. Para avaliar a robustez do sistema e sua reprodutibilidade, foram analisados alguns aspectos das imagens reconstruídas, tais como: relação sinal ruído, concordância entre os valores de número CT medidos e determinados teoricamente, e a fidelidade na representação do objeto imageado. Durante a calibração do sistema foi verificada a relação linear entre o número CT e o coeficiente de atenuação linear dos materiais, o que valida a aplicação do sistema implementado para a caracterização...

This work consisted on the study and application of the FDK (Feldkamp- Davis-Kress) algorithm for tomographic image reconstruction using cone-beam geometry, resulting on the implementation of an adapted multi-slice computed tomography (MSCT) system. For the acquisition of the projections, a rotating platform coupled to a goniometer, an X-ray equipment and a digital image detector CCD (charge-coupled device) type were used. The FDK algorithm was implemented on a computer with a Pentium® XEONTM 3.0 processor, which was used for the reconstruction process. Initially, the original FDK algorithm was applied considering only the ideal physical conditions in the measurement process. Then some artifacts corrections related to the projections measurement process were incorporated. The implemented MSCT system was calibrated. A specially designed and manufactured object with a known linear attenuation coefficient distribution (μ(r)) was used for this purpose. Finally, the implemented MSCT system was used for multi-slice tomographic reconstruction of an inhomogeneous object, whose distribution μ(r) was unknown. Some aspects of the reconstructed images were analyzed to assess the robustness and reproducibility of the system. During the system calibration, a linear relationship between CT number and linear attenuation coefficients of materials was verified, which validate the application of the implemented multi-slice tomographic system for the characterization of linear attenuation coefficients of distinct several objects.

Desenvolvimento de um instrumento automatizado para medida do campo visual do olho humano / Development of an automated instrumento for human visual field measurements

Neste artigo é descrito o desenvolvimento de um instrumento computadorizado para medidas do campo visual do olho humano. Apresentam-se detalhes da implementação do primeiro protótipo (hardware e software) e resultados preliminares em testes in vivo. Sabe-se que algumas patologias de grande risco para qualidade da visão, como o glaucoma (aumento da pressão intra-ocular), provocam lentamente a morte de células sensoriais (cones e bastonetes)na retina. Normalmente, o paciente só percebe o problema quando aproximadamente 50 por cento destas células já estiverem mortas. Um dos instrumentos que pode auxiliar no diagnóstico precoce destas patologias é campímetro automatizado. Apesar de existirem instrumentos importados que realizam este exame, eles contêm softwares que utilizam bases de dados geradas a partir de exames em população com características demográficas bastante diferentes daquelas encontradas no Brasil. Normalmente, essas bases de dados são provenientes dos EUA e Europa, mas sabe-se que a predisposição a diversas patologias está associada às condições demográficas (por exemplo, descobriu-se que na população de pele negra a incidência de glaucoma é maior quando comparada com a população de cor branca, em termos gerais e para residentes em uma mesma região geográfica). Além da raça, fatores como temperatura, clima e radiação solar podem também influenciar a sensibilidade visual. Assim, o desenvolvimento de um instrumento que incorpore uma base de dados colhida em olhos da população brasileira, possibilitará exames mais precisos no país. Apresenta-se aqui as diferentes etapas do desenvolvimento deste instrumento e os resultados preliminares.