Medical Imaging Techniques

□ Medical imaging

- Medical Imageing device : 몸안을 시각화하기 위해 사용함

- 물리학, 공학, 수학 등을 기반으로 몸안을 관찰함

- useful : 의료영상을 가지고 진단이 가능함.  ex) Abnormality : 정상, 비정상 / Tumor : 암세포(증식) / Dead or ischemic tissue : 조직이 피가 공급되는지, 조직을 살릴 수 있는 지 없는지 판단

 

□ Medical imaging Techniques

▶ X-ray

: 굴절률이 생기면 나쁨

: 환자의 조직과 뼈에 의해 산란된 X선이 film에 도달하지 않도록 collimator grid를 사용하여 image contrast를 개선한다.

: 산란된 X선은 shadow areas에서 'fog'로 만들어 film의 선명한 영역과 어두운 영역 사이의 대비를 감소시킨다.

: 비산란 X선만 grid를 통과하여 필름에 도착한다.

: 납은 일반적으로 이용가능한 다른 금속보다 X선을 흡수하는 데 훨씬 효과적이다.

Adapted from “Ch5 X-ray imaging” AQA A2 Physics © Nelson Thornes 2009

● X-ray Imaging

○ 1895년 Wilhelm Röntgen이 발견한 X-ray

○ lonizing radiation (이온화 방사선)

○ X-ray penetrates the body (x선이 몸을 관통함)

○ 감쇠 차이가 영상 대비를 만든다. (Differences in attenuation creates image contrast)

○ Bone(뼈) : 밝다, Lung(폐): 어두움

○ Images represent projections (이미지는 사형(=중첩된 결과를 이 영상에서 보게됨)을 나타낸다.)

 

● X-ray Angiography (혈관 조용술)

○ 이미지로서의 투영 (Projection as an image)

○ 조영제(contrast agent) 사용 => 혈관 강화

○ 외과적 개입을 위한 실시간 이미징 (Real-time imaging for surgical intervention)

 

● Digital Subtraction Angiography (DSA)

○ (대조도 주입 후 영상) - (대조도 주입 전 영상)

○ 다른 구조물에서 배경 정보를 제거하는 동시에 혈관 개선

 

 

* 조영제 : 영상 진단 검사 시 영상의 대조도를 높여 조직이나 혈관의 병변을 명확하게 구별해 내는데 도움을 주는 의약품

 

 

▶ CT

 

● CT scanner 작동 방식

○ CT Scanner는 X선 튜브와 컴퓨터에 연결된 수천 개의 작은 고체 상태 검출기로 구성된다.

○ 획득한 단일 스캔 영상에 따라 링의 축을 따라 적절히 배치된 침대에 환자가 정지해 있는다.

○ 침대가 제자리에 있고 X선 튜브가 자동으로 링 안쪽을 돌면서 회전하여 X선 빔은 항상 중을 향한다.

○ 감지기 신호는 X선 튜브가 180°를 이동할 때까지 링 주위를 일정 부분 이동할 때마다 컴퓨터에 의해 동시에 기록됨

○ 이러한 방식으로 컴퓨터는 환자의 단면 이미지를 수집함

Adapted from “Ch5 X-ray imaging” AQA A2 Physics © Nelson Thornes 2009

 

● CT Imaging

○ 컴퓨터 단층 촬영 = CT

○ 1970년대에 Godfrey N. Hounsfield에 의해 발명됨

○ X선 사용

○ lonizing radiation (이온화 방사선, X-ray도 이거 사용)

○ X-ray source 를 회전하고 다른 각도에서 투형을 획득함

○ Radon transform 을 사용하여 영상을 재구성한다.

○ 영상의 복셀에는 감쇠 값이 포함된다. (Voxels in images contain attenuation values)

 

* voxel : 3차원 단위

* pizel : 1차원 단위

 

 

● CT Imaging

 

사진 삭제

Images adapted from Schofield et al., “Image reconstruction: Part 1 – understanding filtered back projection, noise and image acquisition”, JCCT (2020)

● CT - Hounsfield unit

○ 조직마다 Hounsfield의 단위가 다르다.

 

 

▶ MRI

: 튜브 내부의 높은 자기장

: Radiofrequency pulse 및 x/y/z 자기장 기울기 => slice imaging (슬라이스 이미지)

: 한쪽 방향으로 된 자기장이 있음

 

● Magnetic Resonance(자기 공명)

○ 1970년에 Paul C. Lauterbur 과 Peter Mansfield에 의해 개척

○ No ionizing radiation (X-ray, CT와 다른점 : 이온화 방사선이 없음)

○ 무선 주파수 펄스 ( Radiofrequency pulse)

○ 신호 전송, 수신

○ 영상 대비는 Hydrogen density(수소 밀도), Magnetization properties(자화 특성), Diffusion(확산) Perfusion(관류)에 따라 달라진다.

 

▶ Ultrasound

● Ultrasound Imaging

○ 초음파

○ 인체로 보내짐

○ 기관 경계에 반사됨 (Reflected at organ boundaries)

○ 변환기가 수신함

○ 반사 진폭은 이미지 생성을 위해 회색 값에 매핑한다.

○ 실시간 이미징 (Real-Time imaging, X-ray도 그럼)

○ 장점 : 휴대하기가 쉽고 사용하기 쉬움

 

▶ SPECT

: 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영 (Single Photon Emission Computed Tomography)

: 혈류에 gamma선 방출 방사성 동위원소 주입

: 생물학적 활동 모니터링

: Detectors가 투영 데이터 -> 이미지를 생성하기 위한 역투영

: 심장 영상 촬영에 자주 사용됨

: 스트레스 및 휴식 중 영상 혈류량

: (단점) background가 안보여서 이것이 뭔지 예측 불가

 

▶ PET (SPECT가 유사)

: 양전자 방출 단층 촬영

: 양전자를 방출하는 방사성 동위원소의 인체에 주입

: 생물학적 활동 모니터링

: 양전자는 전자와 만남 -> 반대 방향으로 방출되는 두개의 광자

: Detiectors 투영 데이터 -> 이미지를 생성하기 위한 역투영

: "expensive" 기술

: PET scanner에 가까운 cyclotron에서 생성되는 방사성 동위원소(Fluorine-18 or 19F)

: 불소-18: 불안정, 짧은 반감기 = 109분, 18F → 18O + 양전자 + 중성미자

: 거의 동기화(synchronized)되는 이벤트를 분석할 수 있는 고정 detector 링

: SPECT보다 우수한 이미지 품질

: 낮은 신호대 잡은비 (Low signal-to-noise ratio)

: 낮은 해상도 (Low spatial resolution)

: 신진대사를 직접 촬영할 수 있음 (= 활동이 없을 때 신호가 없음) -> high specificity

: 해부학적 정보를 등록하는것이 좋음

 

* singal-to-noise ratio(SNR) : 신호대잡은비로 높을 수록 선명함.

 

● PET - metabolism (대사)

● CT - 해부도 (anatomy)

▶ Other imaging techniques : OCT, Photography, Optical microscopy, Electron microscopy, EEG, MEG

 

 

□ 파장에 따른 Medical Imageing 방식

- 파장이 짧을 수록 조직이 붕괴될 위험성이 증가함

- 파장이 짧을 수록 방사능이 위험함

- 파장 긴 순(조직 안전도) : MRI image(Radio Wave) > Ultrasound(초음파, Microwave) > infrared Imaging(적외선, Infrared) > Arhroscopy (가시광선, Visible Light) > UV-radiation(자외선, Ultraviolet) > X-Ray > Scintigraphy (Gamma ray)

 

Image adapted from Hildebrandt et al., “The application of medical infrared thermography in sports medicine”

 

□ Axial/Sagittal/Coronal Planes

- 환자 중심으로 위치 읽기

- 암기 방법 (잔인함 주의)

Sagittal : 사지를 가르면 보통 손끼리 쫙 잡아당겼을때 갈라지는 단면

Axial : 복부 쳤을때 '엑' 이라는 소리가 나니까 복부쪽으로 갈라지는 단면

Coronal : 뭔가 단면적이 가장 얇아서 코코코 찔러서 봐야할 것 같은 단면

 

 

 

 

□ Aspects of Medical Images

• 컨텍스트 정보(Context information)
• 이미징된 사람에 대한 기록 정보(Demographic information about the person who was imaged)
• 이미지 획득 시스템에 대한 기술 세부 정보(Technical details about the image acquisition system )
• 심사 사유(Reason for the examination)
• 메타 정보(Meta-information)
• 이미지 획득 시스템과 관련된 파라미터(Parameters related to the image acquisition system)
• 고도로 제약되고 규제됨( Highly constrained and regulated)
• 민감한 개인 정보(Sensitive Personal information)
• 침습적 행동(진단, 치료에서 결정)을 정당화한다.(To justify invasive actions (i.e., decision in diagnosis or treatment))

 

□ DICOM

: 의료 분야의 디지털 이미징 및 통신

: 전세계 모든 병원에서 사용되는 표준

: 영상 장비 제조업체에서 채택(CT, MR, 초음파 등)

 

▶DICOM 파일에는 다음과 같은 정보가 있다.

○ 환자 정보: 이름 및 인구 통계 정보

○ 검사 정보: 의료, 진료소, 검사 유형

○ 기술 정보: 이미지 획득 파라미터

ex) CT DICOM 정보에는 파장, 방사선의 진폭, 슬라이스의 수와 간격, 공간 분해능, 재구성 방법 및 재구성 커널의 획득 파라미터가 있다.

○ 이미지 자체

 

▶DICOM Header

○ 환자 ID, 환자 이름, 연령

○ 병원명

○ 이미지 프로토콜 이름

○ 이미지 획득 파라미터 (픽셀 수, 픽셀 간격, 슬라이스 간 간격)

○ 스캔 평면 방향

○ 제조사명 (Philips, Siemens, GE)

○ DICOM 데이터가 병원 외부에서 사용될 때 삭제된 개인 정보

○ 익명화

 

 

□ NIfTI

: 신경 영상 정보 과학 기술 이니셔티브

: MRI 방법을 사용하여 얻은 뇌 영상 데이터를 저장하는데 일반적으로 사용되는 파일 형식

: 일부 영상 정보 도구는 DICOM파일을 자동으로 NIfTI형식으로 변환할 수 있다.

 

□ DICOM vs NIfTI

▶DICOM : .dcm 파일 확장자

: 2D 이미지는 .dcm 파일에 포함되어 있음

▶NIfTI : .nii 또는 .nii.gz 파일 확장자

: 3D 이미지는 .nii 파일에 포함되어 있음

 

: 여러 .dcm 파일이 .nii 파일로 변환되는 경우가 많음

 

▶ 이미지 뷰어

○ DICOM: ImageJ 소프트웨어는 무료이며 .dcm 파일을 로드하고 2D 슬라이스 영상을 표시하는 데 사용할 수 있습니다.

○ NIfTI: ITK-SNAP 소프트웨어는 무료이며 .nii 파일을 로드하고 3D 이미지를 표시하는 데 사용할 수 있습니다.