Detail předmětu

Imaging Systems with Nonionizeing Radiation

FEKT-MPA-ZSZAk. rok: 2024/2025

Obsahem tohoto kurzu je studium zobrazovacích systémů, které při své činnosti nepracují s ionizujícím zářením. V rámci osnovy kurzu jsou probírány systémy využívající principu magnetické rezonance. Diskutovány jsou základní experimenty v této oblasti, základní a rozšířené pulzní sekvence, principy kódování poziční informace a požadavky na hardware pro zobrazování. Dále pokročilé metody jakými jsou např. principy kontrastních látek, funkčního a difúzního zobrazování. V druhé části kurzu jsou probrány principy využití ultrazvukového vlnění pro zobrazování. Diskutovány jsou jednotlivé zobrazovací módy využitelné při klinickém zobrazování - A-sken, B-sken, dopplerovské techniky, využití kontrastních látek. V poslední části kurzu je probráno zobrazení teplotního reliéfu pomocí termokamer. Vysvětleny jsou principy mikrobolemtrických detektorů, využití 2D detektorů a reprezentace výsledné informace. V závěru semestru jsou popsány i další techniky v oblasti viditelné části spektra elektromagnetického záření. Dále jsou diskutovány parametry procesu zobrazení jako takového a hodnocení kvality zobrazovacích systémů.  

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav biomedicínského inženýrství (UBMI)

Nabízen zahraničním studentům

Všech fakult

Vstupní znalosti

Požadovány jsou základní znalosti v oblasti matematiky, fyziky a teorie zpracování signálů a obrazů na úrovni bakalářského studia.   

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Během semestru jsou hodnoceny výstupy laboratorních úloh a počítačových cvičení. Předmět je ukončen zkouškou, která kombinuje písemnou a ústní část. 
Další informace obsahuje aktualizovaná vyhláška garanta předmětu vydávaná před začátkem příslušného semestru.    

Učební cíle

Cílem tohoto kurzu je rozšířit znalosti z bakalářského stupně v oblasti lékařské fyziky a zobrazovacích systémů (ZS). Tento kurz je zaměřen na využití neionizujícího záření v oblasti lékařského zobrazování. V první části kurzu jsou probírány základy jevu magnetické rezonance a jeho aplikace pro lékařské zobrazování. V druhé polovině kurzu je probírán princip využití ultrazvukových vln pro zobrazování, principy termokamer a další techniky v oblasti viditelné části spektra elektromagnetického záření.   

Studijní opory

Materiály ke studiu jsou dostupné v e-elearningu.  

Základní literatura

Bernstein M.A. et al: Handbook of MRI Pulse Sequences, Academia Press, 2004 (EN)
BRONZINO, Joseph D. The biomedical engineering handbook. Medical Devices and Systems. 3rd ed. Boca Raton: CRC/Taylor & Francis, 2006. ISBN 0849321220. (CS)
Brown R.W. et al: Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design 2nd Edition, Wiley-Blackwell, 2014 (EN)
Edelman S.K.: Understanding Ultrasound Physics, 4th edition, Ultrasound, 2012 (EN)
HILL, C. R, J. C BAMBER a G. ter HAAR. Physical principles of medical ultrasonics. 2nd ed. Hoboken, N.J.: John Wiley, c2004. ISBN 978-0-471-97002-6. (CS)
JERROLD T. BUSHBERG .. Essential physics of medical imaging. 3. ed., Internat. ed. S.l.: Lippincott Williams And W, 2011. ISBN 9781451118100. (CS)
MCROBBIE, Donald W. MRI from picture to proton. 2nd ed. New York: Cambridge University Press, 2007. ISBN 978-0521683845. (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPA-BIO magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinný
  • Program MPC-BIO magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinný
  • Program MPAD-BIO magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Osnova

1. Jev magnetické rezonance - historie, využití pro spektroskopii a zobrazování. Fyzikální principy magnetické rezonance – kvantově-mechanický model, vektorový model, precese, Blochovy rovnice, relaxace.
2. Základní NMR experimenty – excitace, FID signál, spinové echo, gradientní echo, akviziční parametry – repetiční čas, TE čas, váhování obrazu časy T1 a T2.
3. NMR hardware – konstrukce hlavního magnetu, permanentní a supravodivý magnet, aktivní a pasivní shimming, homogenita pole B0, gradientní cívky, RF cívky pro různé aplikace.
4. NMR zobrazování – od protonu k obrazu, výběr tomografické roviny (řezu), k-prostor, frekvenční a fázové kódování pozice, rekonstrukce obrazu.
5. Pulzní sekvence – spinové echo, gradientní echo, inversion recovery, saturation recovery, rychlé sekvence – multi-shot a multi-band, EPI.
6. Speciální aplikace – využití kontrastních látek, funkční magnetická rezonance (fMRI), difuzní MRI, arterial spin labelling (ASL), perfúzní techniky – DCE a DSC, NMR spektroskopie.
7. Využití ultrazvukového vlnění v diagnostice – vlnová rovnice, popis ultrazvukové vlny na základě změny akustického tlaku, děje na rozhraní dvou látek s rozdílnou akustickou impedancí, generování ultrazvukové vlny – magnetostrikční nebo piezoelektrické měniče, základní idea zobrazování.
8. Ultrazvukový systém – blokové schéma, ultrazvuková sonda – lineární, konvexní a sektorové sondy, různé způsoby konstrukce a buzení sond, fokusace sondy, základní řetězec zpracování ultrazvukového signálu, TGC zesilovač, konverze dat, zobrazovací jednotka, základní zobrazovací módy – A mód, B mód, 3D zobrazení, TM mód, základní artefakty a dosažitelné parametry zobrazení.
9. Pokročilé zobrazovací techniky – využití Dopplerova jevu – kontinuální a pulzní Doppler, barevný a výkonový Doppler, kontrastní látky pro ultrasonografii, využití kontrastních látek, perfúzní zobrazování – různé techniky, kvalitativní a kvantitativní techniky, statická a dynamická elastografie, ultrazvuková transmisní/reflexní tomografie, ultrazvukové vyšetření prsu, fotoakustické zobrazování.
10. Endoskopie – princip, požadavky na vyšetření, základní typy konstrukce endoskopů – endoskopická zrcadla, rigidní, flexibilní (fibroskop), pracovní kanály, endoskopická kapsle, endoskopický ultrazvuk (transezofageální echokardiografie, vaginální ultrazvuk), intravaskulární ultrazvuk (IVUS) – srovnání s koronární angiografií. CT virtuální endoskopie.
11. Infrazobrazovací systémy – základní vymezení pojmů termografie, noktovize, fyzikální principy související s vyzařováním – Planckův vyzařovací zákon, Wienův posunovací zákon, Stefan-Boltzmanův zákon, emisivita, absolutně černé těleso, schéma vyzařování – vliv okolních vlivů, vliv transmise atmosféry a další.
12. Infrazobrazovací systémy – konstrukční principy – optické systémy pro infračervené záření – objektivy, čočky, detekce záření – selektivní (fotonové) a neselektivní (tepelné) detektory, výhody a nevýhody jednotlivých řešení, požadavky na chlazení a tepelnou stabilizaci detektorů, konstrukce mikrobolometrických 2D FPA snímačů, aplikace v medicíně, parametry běžně dostupných termokamer.  

Cvičení na počítači

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Osnova

Sada počítačových cvičení:

  1. Vyhodnocení MTF reálného zobrazovacího systému. Konverze kontrastu na jas obrazu.
  2. Simulace buzení ultrazvukové sondy - lineární a sektorová sonda.
  3. Zpracování surových dat ultrazvukových systémů, harmonické zobrazování. 
  4. Simulace základních pulzních sekvencí - vliv nastavení akvizičních časů (TR, TE, TI) na výsledný obraz. 
  5. Zpracování dat pro MRI relaxometrii - určení T1 času.  

Laboratorní cvičení

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Osnova

Sada laboratorních úloh:

  1. Měření s ultrazvukovým systémem - hodnocení kvality (prostorové rozlišení, kontrast) při různých parametrech zobrazení.
  2. Stanovení rychlosti toku krve dopplerovským systémem. 
  3. Měření dynamických teplotních dat termokamerou. 
  4. Měření na reálném MR skeneru, stanovení SNR.
  5. Měření difúzních dat na MR skeneru.