Orvosi képdiagnosztika-Digitális képek alkotása és tárolása

Az Orvosi képdiagnosztika tárgy egyik témaköre.

Diák (2016)

• Digitális képek alkotása és tárolása

Összefoglaló

Jelforrások

• Fény: elektromágneses sugárzás
  • Egyszerre hullám és részecske
    • Nyugalmi tömege nulla, sebessége állandó, frekvenciával arányos az energiája, polarizált.
    • Enerigájától függ, hogy különböző atomokkal hogyan lép kölcsönhatásba
  • Rötgen foton (CT, Röntgen, Tomo): 10 keV / 100 pm - 100 keV / 10 pm
  • Gamma foton (PET): ~1 MeV / ~1 pm
• Hang: Rugalmas közeg mechanikai rezgése
  • Pl:Ultrahang

Fényérzékelés folyamata

• fény -> fotodióda -> kondenzátor -> analóg erősítő -> A/D átalakító -> digitális feldolgozás
• félvezetők működési elve:
  • elektronok minden anyagban diszkrét energiával rendelkezhetnek (sávokban helyezkednek el).
  • legfelső sáv a vezetési sáv (itt az e- többet okoz töltést), alatta a vegyértéksáv (itt a lyuk többlet okoz töltést)
  • félvezetők esetén termikus mozgás a két sáv között
  • N (Negative) típusú félvezető: e- többlet, P (Positive) típusú félvezető: lyuk többlet.

Dióda

• P és N félvezető egymás mellett, P -> N áram folyik (feszültség függő).
• Fotodióda: A P és N félvezető között átmeneti tartomány, az ide eső foton hatására keletkező töltéshordozók áramot okoznak, a dióda ezt méri (diszkrét impulzusok -> foton számláló detektor).

Fényérzékeny MOS kondenzátor

• fém elektróda – szigetelő – P félvezető – N félvezető szendvics, fémre pozitív töltések N félvezetőre negatív töltéseket csatolunk.
• fotoelektromos kölcsönhatás során vezetési elektron és lyuk keletkezik, ezek a feszültség hatására a félvezetőkbe mennek

Charge-coupled Device (CCD)

• fényérzékeny MOS kondenzátorokból áll (3 db / pixel, négyzetrácsban)
• töltéseket shiftelni lehet
• A fotoelektromos kölcsönhatás valószínűsége akkor nagy, ha az foton, és az e- kötési energiája közel azonos
  • Röntgen, illetve gamma fotonnál a fotodiódák közel nulla valószínűséggel generálnak ármot.
  • Szcintillátor: olyan anyag ami elnyeli a megfelelő energiájú fotont, és közben látható fotont emittál (amit a fotodióda detektálni tud).

Zajok:

• Fotonok inherens zaja: E{x} = Q esetén var{X} = sqrt(Q).
• Analóg erősítő zaja
• A/D kvantálási zaj
• Szcintilláció zaja
• Fényérzékeny MOS kondenzátor hibái:
  • Sötét áram
  • Előző felvétel beégése
  • Kiolvasási zaj
  • Halott pixel / forró pixel
  • Szisztematikus zaj

LZW:

1. Szótárat inicializálunk minden lehetséges pixel intenzitással
2. Kikeressük a kódolni kívánt sorozat azon leghosszabb eddig még nem kódolt prefixét (W), mely már szerepel a szótárba (k kóddal)
3. Hozzátoldjuk a tömörített kép végéhez k-t, majd bővítjük a szótárat [W|a]-val, ahol a a tömörítendő bitfolyam W utáni első eleme.
4. GOTO 2.

Kép formátumok:

• BMP: Az összes képpont fénnyessége, opcionális LZW
• TIF
  • Többféle színábrázolás, rétegek, átlátszóság
  • LZW / (Huffman) Futáshossz / JPEG kódolás
• GIF
  • 8 bites képek, animáció is, LZW
• PNG
  • GIF lecserélése
  • alpha csatorna, gamma korrekció, 16/48 bites színábrázolás
  • fokozatos megjelenítés (minden pixelt csak egyszer tartalmaz a file)
  • veszteségmentes, két fázisú tömörítés:
    1. fázis: egyszerű lineáris szűrés alapú predikció
    2. fázis: LZ77 tömörítés
• JPEG
  • Több réteg, csatornák, átlátszóság, 16 bites képek
  • Veszteséges és veszteségmentes tömörítés
    1. Színtér trafó
       • RGB -> Y'CrCB konverzió (Y' fényerő gamma korrekció után, Cr: vörös árnyalat, Cb: kék árnyalat)
    2. Színcsatornák alul-mintavételezése
       • Cb, Cr alulmintavételezése (Y'-ra érzékenyebb a szemünk)
    3. 8 × 8 méretű blokkok kialakítása
       • A kép szélén extrapolál
    4. Diszkrét Koszinusz Transzformáció
       • Minden blokkra külön
       • Transzformáció előtt 0 középpontúvá skálázza az intenzitásokat
       • $f(u,v)=\alpha (u,v)\cdot \cos \left[{\frac {(2x+1)u\cdot \pi }{16}}\right]\cdot \cos \left[{\frac {(2y+1)v\cdot \pi }{16}}\right]$
       • Emberi látás nagyobb mértékben diszkriminálja a DCT bázis függvényeit, mint a Fourier trafóét.
    5. Kvantálás
       • $B_{(i,j)}=round\left({\frac {DCT\left\{I_{(i,j)}\right\}}{Q}}\right)$
       • Q (a tömörítés hatásfoka) állítható
    6. Kódolás
       • Együtthatókat cikk-cakk trajektória mentén sorosítja
       • Futáshossz + Huffman kódolás
  • Veszteséges JPEG artifaktumai
    • Ringing effektus: meredek átmenetű alulmintavételezés
    • Blokkosodás: blokkonkénti tömörítés miatt, Q amiplitúdójának növekedésével egyre látványosabb
    • Elszíneződés: Cr, Cb alulmintavételezése
    • Elmosás: Nagy Q esetén
• DCM
  • XML, van benne egy kép tag, ami lehet pl png, tiff, jpeg, de mellette meta adatok is
  • A szabvány leírja a fájlok archiválásának módját is

Ellenőzrő kérdések (2016)

Mit jelent a fény kettős természete (hullámmozgás és kvantumelméleti megközelítés). A fénynek, mint elektromágneses sugárzásnak milyen tulajdonságait ismeri? Mitől függ egy foton energiája? Ez mit befolyásol orvosi képalkotás során?

Fény: elektromágneses sugárzás

• Egyszerre hullám és részecske
  • Nyugalmi tömege nulla, sebessége állandó, frekvenciával arányos az energiája, polarizált.
  • Enerigájától függ, hogy különböző atomokkal hogyan lép kölcsönhatásba

Ismertesse a fényérzékelés folyamatát! Hogyan működnek a félvezetők? Mit jelentenek az alábbi fogalmak: vegyértéksáv, vezetési sáv, tiltott sáv, lyuk, elektron, N típus, P típusú félvezető? Hogyan épülnek fel és hogyan működnek a fényérzékeny MOS kapacitások?

Fényérzékelés folyamata

• fény -> fotodióda -> kondenzátor -> analóg erősítő -> A/D átalakító -> digitális feldolgozás
• félvezetők működési elve:
  • elektronok minden anyagban diszkrét energiával rendelkezhetnek (sávokban helyezkednek el).
  • legfelső sáv a vezetési sáv (itt az e- többet okoz töltést), alatta a vegyértéksáv (itt a lyuk többlet okoz töltést)
  • félvezetők esetén termikus mozgás a két sáv között
  • N (Negative) típusú félvezető: e- többlet, P (Positive) típusú félvezető: lyuk többlet.

Dióda

• P és N félvezető egymás mellett, P -> N áram folyik (feszültség függő).
• Fotodióda: A P és N félvezető között átmeneti tartomány, az ide eső foton hatására keletkező töltéshordozók áramot okoznak, a dióda ezt méri (diszkrét impulzusok -> foton számláló detektor).

Fényérzékeny MOS kondenzátor

• fém elektróda – szigetelő – P félvezető – N félvezető szendvics, fémre pozitív töltések N félvezetőre negatív töltéseket csatolunk.
• fotoelektromos kölcsönhatás során vezetési elektron és lyuk keletkezik, ezek a feszültség hatására a félvezetőkbe mennek

Hogyan épülnek fel és hogy működnek a CCD érzékelők? Mit nevezünk szcintillációnak és mikor van rá szükség? Hogyan működnek és hogyan épülnek fel a látható fotonoknál nagyobb energiájú fotonokra (pl. uv, röntgen, gamma sugarak) érzékeny detektorok?

Charge-coupled Device (CCD)

• fényérzékeny MOS kondenzátorokból áll (3 db / pixel, négyzetrácsban)
• töltéseket shiftelni lehet
• A fotoelektromos kölcsönhatás valószínűsége akkor nagy, ha az foton, és az e- kötési energiája közel azonos
  • Röntgen, illetve gamma fotonnál a fotodiódák közel nulla valószínűséggel generálnak ármot.
  • Szcintillátor: olyan anyag ami elnyeli a megfelelő energiájú fotont, és közben látható fotont emittál (amit a fotodióda detektálni tud).

Hogyan működik a Graphics Interchange Format alapú képtárolás? Ismertesse a Portable Network Graphics formátum során alkalmazott tömörítési eljárás főbb lépéseit!

• GIF
  • 8 bites képek, animáció is, LZW
• PNG
  • GIF lecserélése
  • alpha csatorna, gamma korrekció, 16/48 bites színábrázolás
  • fokozatos megjelenítés (minden pixelt csak egyszer tartalmaz a file)
  • veszteségmentes, két fázisú tömörítés:
    • 1. fázis: egyszerű lineáris szűrés alapú predikció
    • 2. fázis: LZ77 tömörítés

Ismertesse a Joint Photographic Experts Group formátum tömörítő eljárásának főbb lépéseit. Milyen melléktermékeket okozhat ez a fajta tömörítő eljárás?

• Több réteg, csatornák, átlátszóság, 16 bites képek
• Veszteséges és veszteségmentes tömörítés
  1. Színtér trafó
     • RGB -> Y'CrCB konverzió (Y' fényerő gamma korrekció után, Cr: vörös árnyalat, Cb: kék árnyalat)
  2. Színcsatornák alul-mintavételezése
     • Cb, Cr alulmintavételezése (Y'-ra érzékenyebb a szemünk)
  3. 8 × 8 méretű blokkok kialakítása
     • A kép szélén extrapolál
  4. Diszkrét Koszinusz Transzformáció
     • Minden blokkra külön
     • Transzformáció előtt 0 középpontúvá skálázza az intenzitásokat
     • $f(u,v)=\alpha (u,v)\cdot \cos \left[{\frac {(2x+1)u\cdot \pi }{16}}\right]\cdot \cos \left[{\frac {(2y+1)v\cdot \pi }{16}}\right]$
     • Emberi látás nagyobb mértékben diszkriminálja a DCT bázis függvényeit, mint a Fourier trafóét.
  5. Kvantálás
     • $B_{(i,j)}=round\left({\frac {DCT\left\{I_{(i,j)}\right\}}{Q}}\right)$
     • Q (a tömörítés hatásfoka) állítható
  6. Kódolás
     • Együtthatókat cikk-cakk trajektória mentén sorosítja
     • Futáshossz + Huffman kódolás
• Veszteséges JPEG artifaktumai
  • Ringing effektus: meredek átmenetű alulmintavételezés
  • Blokkosodás: blokkonkénti tömörítés miatt, Q amiplitúdójának növekedésével egyre látványosabb
  • Elszíneződés: Cr, Cb alulmintavételezése
  • Elmosás: Nagy Q esetén

Ismertesse a DICOM szabvány képtárolásának főbb jellemzőit, valamint a szabvány általánosabb jellegét!

• XML, van benne egy kép tag, ami lehet pl png, tiff, jpeg, de mellette meta adatok is
• A szabvány leírja a fájlok archiválásának módját is

Mérnökinformatikus MSc
1. félév (tavasz)	Adatbiztonság  •  Formális módszerek  •  Rendszeroptimalizálás  •  Analízis  •  Tömegkiszolgálás
2. félév (ősz)	Alkalmazott algebra és matematikai logika  •  Információelmélet  •  Nyelvek és automaták  •  Szoftverarchitektúrák  •  Sztochasztika I.  •  Sztochasztika II.
Egyéb	Kötelezően választható tárgyak  •  Mérnöki menedzsment  •  Befektetések  •  Érvelés, tárgyalás, meggyőzés  •  Információs társadalom joga  •  Minőségmenedzsment  •  Projektmenedzsment  •  Vállalati jog  •  Vezetői számvitel
Szakirányok	Alkalmazott informatika  •  Autonóm irányító rendszerek és robotok  •  Hálózatok és szolgáltatások  •  Hírközlő rendszerek biztonsága  •  Intelligens rendszerek  •  Médiainformatika  •  Rendszerfejlesztés  •  Számításelmélet  •  Szolgáltatásbiztos rendszertervezés