Babeh Edi

Three Dimensional Image (3D)

      3D imejing pada kedokteran adalah suatu metode dimana pengaturan data diperoleh dari obyek 3D dari pasien, diproduksi oleh computer dan ditampilkan dalam layar computer dua dimensi (2D) untuk memberikan gambaran kedalaman. Persepsi kedalaman menyebabkan gambar ditampakkan dalam 3D.

     Manfaat dari 3D pada teknologi spiral/helical CT dan magnetic resonance imaging (MRI) adalah meningkatkan hasil pada tampilan sectional anatomi. Dari hasilnya, 3D imaging akan menjadi paling luas di lingkungan departemen radiology, peneliti berkelanjutan untuk menggali patensi aplikasi 3D. untuk contohnya, penelitian Brain Image Analisis Laboratorium di Universitas California/ San Diego menggunakan model 3D untuk mempelajari AIDS, penyakit Huntingtons, dan schizophrenia. Di Duke universitas , model 3D digunakan untuk mempelajari cardiac arrhythmias. Di Radionics Software Applications di Burlington, aplikasi tersebut disebut XKnife menggunakan informasi dari CT dan MRI brain scan untuk menunjukkan bentuk tumor dan lokasinya untuk perencanaan tindakan penyinaran (Mahoney,1996).

     Di radiology, 3D imaging ditemukan untuk aplikasi terapi radiasi, craniofacial imaging untuk rencana surgical, orthopedics, neurosurgery, cardiovascular surgery, angiography, dan MRI.(Wu et al,1999;Udupa,1999;Calhoun et al,1999). Lainnya menggunakan 3D imaging untuk visualisasi mumi mesir kuno tanpa merusak plaster atau perban (Yusada et al,1992).

     Lebih lanjutnya, 3D imaging dapat menghasilkan gambaran endoscopy, teknik adalah “fly through” pada tubuh akan berusaha untuk memeriksa struktur dari otak, tracheobronchial tree, vessels, sinus, dan colon (Vining,1996 ; Rubin et al,1996). 3D medical menyusun kembali movie clips dan sekarang tersedia di internet, Pengamat sekarang bisa  mengamati “fly through” pada colon, skull, brain, lung, torso, dan arteri dari jantung. Sekarang ini 3D imaging adalah keseluruhan dimensi baru dengan pemeriksaan contrast-filled vessels dari volumetric spiral/helical CT data, CT angiography (CTA). CTA dan virtual gambar yang sebenarnya akan dibahas lebih lanjut pada Bab 18 dan Bab 19. 

     Pada Bab ini menggambarkan konsep dasar  3D imaging dan di CT untuk menyediakan teknologi dengan peralatan yang diperlukan yang berinteraksi dengan 3D imaging system.

 Penggambaran atau rekontruksigambar pada CT Scan merupakan penggabungan yang unik antara pembangkitan sinar X secara konvensional dengan alat-alat pengubah dan juga komputer digital. Proses penggambaran pada CT Scan dilakukan secara matematika oleh komputer ini berguna untuk menghilangkan informasi-informasi yang tidak di harapkan pada gambar. Pada setiap gambar CT Scan terdiri dari ribuan pixel (picture element) yang tersusun pada baris dan kolom (matrix) dimana pada setiap pixel tersebut menggambarkan area dari pixel sesuai denganketebalan potongan (voxel).

      Jadi dalam suatu pembentukan gambaran CT Scan diperlukan banyak voxel (small volume) dan di dalam voxel terdapat ribuan pixel (picture element) yang tersusun dalam barisdan kolom (matrix) yang mewakili atenuasi sinar X pada setiap jaringan.

Setelah susunan matrix diperoleh maka akan direkonstruksi sehingga menampilkan gambaran obyek. Komputer tidak menyediakan program mengenai obyek tetapi menyediakan kuadran tempat untuk menampung matrix sehingga membentuk gambaran obyek yang utuh dilayar monitor.          

Citra tiga dimensi (3D) adalah suatu teknik yang popular pada CT Scan oleh karena ketersediaan sejumlah besar data digital. 3D pada CT Scan telah digunakan didalam perencanaan perawatan radiasi, craniofacial imaging, perencanaan berhubungan denganpembedahan dan orthopedic.  Citra 3D dapat diperoleh dengan pendekatan hardware maupun software. Pendekatan hardware menggunakan peralatan khusus seperti unit elektronik computer display untuk melaksanakan algoritma 3D imaging dan pendekatan softwaremenggunakan program computer atau algoritma software berkode. Algoritma ini, atau teknik rendering mengubah data transaxial CT menjadi citra simulasi 3D. 

           Secara umum ada dua teknik transformasi yang digunakan yaitu teknik surface dan volume based. Setiap teknik terdiri dari tiga langkah : formasi volume, penggolongan dan proyeksi citra.    

 Formasi volume melibatkan tumpukan gambar untuk membentuk suatu volume dengan beberapa tahap pra pemprosesan, penggolongan mengacu pada penentuan jenis jaringan dalam irisan.  Menurut Fishman (1991), proyeksi citra terdiri dari memproyeksikan data volume yang digolongkan sedemikian rupa dalam bentuk penyajian dua dimensi (2D) sebagai simulasi pembentukan volume 3D. Grafik computer melibatkan pembuatan, manipulasi dan tampilan gambar dari citra yang dihasilkan computer. Hal itu membuat pemakai leluasa untuk menyatakan gagasan dan informasi dalam bentuk visual termasuk cara untuk menyajikan kembali data untuk membuat dan menampilkan citra menggunakan bahasa pemprograman grafik dan teknik pengolahan citra.

After using a segmentation tool to remove the bone, the previously concealed vessels can now be demonstrated.

Bone reconstructed in 3DBone direkonstruksi dalam 3D

 Setelah menggunakan alat segmentasi untuk menghapus tulang, pembuluh sebelumnya tersembunyi kini dapat ditunjukkan.

SEJARAH

     Di tahun 1970 Greenleaf et al memproduksi tampilan gerakan dari ventrikel dengan menggunakan biplane angiography. Setelah itu memperkenalkan , CT terbaru untuk kepentingan medis 3D imaging karena menampakkan kecerahan lebih baik serta bisa menghasilkan sectional image informasi 3D. Pikiran ini menghasilkan perkembangan spesifikasi hardware dan software untuk memproduksi dari 3D imaging dan perkembangan algoritma untuk 3D imaging.

Perkembangan teknologi pada 3D berlanjut pada tahun 1970 dan awal tahun 1980, banyak CT Scaner memperlihatkan 3D software paket yang penuh pilihan.  Pada awal tahun 1980, gambaran 3D memperlihatkan untuk aplikasi klinik, dimana beberapa peneliti mulai menggunakan teknologi tersebut di craniofacial surgery, orthopedic, rencana pelaksanaan radiasi, dan gambaran kardiovascular. Pada halaman 280 meringkas perubahan dan perkembangan gambaran 3D sampai tahun 1991. sekarang gambaran 3D telah berubah sesuai keinginan masing-masing, menuntut pemahaman dari variasi processing control seperti preprocessing, visualization, manipulation, dan analisa operational.

 KONSEP DASAR 3D

Untuk memahami bagaimana pengaturan image 3D pada dunia kedokteran, pertama sangatlah perlu untuk mengenal bagian 4 sistem coordinate untuk menghubungka dengan CT scanner, display, obyek, dan layar. Koordinat system tersebut ditampakkan pada gambar 17.1 dan termasuk scanner coordinate system, display coordinate system, dan scene coordinate system. Semuanya didefenisikan pada gambar 17.1. system tersebut lebih dikenal dengan x,y,z layar system atau Cartesian koordinat system . di system ini ada x,y,z axis yang diposisikan sudut kanan (orthogonal) yang berbeda satu sama lainnya. Lebar obyek dituliskan dengan x axis, sedangkan berat obyek dituliskan dengan y axis dan z axis pada tangan yang lainnya didefenisikan dengan kedalaman. Semuanya berhubungan dengan image.

     Menggunakan coordinate system menggambarkan obyek dengan mengukur jarak dari titik antar bagian atau titik nol. Jarak ini bisa positip atau negative dari titik nol dan image dapat diatur dengan berputar pada 3 axis. Dengan terjadinya perputaran terjadi penyerahan 3D space dan software computer membantu pengamat untuk melihat 3D space dengan menampilkan dari depan, belakang, atas, bawah dari obyek memberikan titik keuntungan. Teknik tersebut dikenal dengan computer-aided visualization atau 3D visualization, dan aplikasi visual 3D di kedokteran.

     Di kedokteran, 3D imaging menggunakan tangan kanan x,y,z system koordinat karena gambaran ditampilkan pada layar computer. Koordinat x,y,z didefinisikan berupa ruangan dimana multi dimensional data  (pengaturan slice) ditampakkan. Ruang tersebut disebut 3D space atau scene space. System koordinat membantu mendefenisikan voxel (elemen volume) di 3D space dan menggunakan informasi voxel seperti CT number atau intensitas signal di MRI untuk merekonstruksi 3D images. (European Guidelines for Multislice Computed Tomography, 2004)

Untuk mendapatkan gambaran yang lebih informatif lagi digunakan beberapa teknik rekontruksi, diantaranya

1. Volume RenderingTecnique (VRT)

Ketika gambaran 3D pertama kali diperkenalkan, gambar yang kurang optimal  disebabkan resolusi kurang memadai memperlihatkan struktur dalam anatomi tubuh.Gambar ditampilkan hanya yang lebih dense struktur yang lebih dekat dari permukaan tubuh, meskipun soft tissue atau struktur kurang dense tidak diperlihatkan. Dengan menggunakanfast Fourier transforms (3DFT), Algoritma untuk kalkulasi matematika dan penggunaan computer dengan waktu processing yang cepat, gambaran 3 dimensi menjadi smooth,sharply focused dan bayangan sesungguhnya untuk memperlihatkan soft tissue. Kemampuan memperlihatkan soft tissue pada gambaran  dimensi tergantung pada teknik volume rendering.

Volume rendering adalah program computer bagian “stack” dari gambar sequenceyang diproses sebagai volume dengan informasi gray scale intensitas pada setiap pixel yang terinterpolasi pada z- axis (tegak lurus pada x dan y axis. Interpolasi dibutuhkan karenaFOV scan (x dan y axis) tidak sama dengan z axis Karena interscan space. Proses computer selanjutnya, data baru digenerasikan dengan interpolasi, hasil pada tiap voxelsemua punya dimensi yang sama. Teknik volume rendering dapat mendefenisikan ketebalan objek,

2. Multiplanar Rekonstruksi (MPR)

Aplikasi soft ware Multi Planar Reformating (MPR)  merupakan tampilan  gambar dalam berbagai bidang baik sagital, aksial maupun coronal Multiplanar Rekonstruksi (MPR) adalah metode rekonstruksi yang paling sederhana.  Sebuah volume dibangun dengan menumpuk potongan axial. Perangkat lunak kemudian memotong irisan melalui volune pesawat yang berbeda ( biasanya orthogonal). Opsional, metode proyeksi khusus, seperti Proyeksi Intensitas Maksimum (MIP) atauMinimum Intensitas Proyeksi (MIP) dapat digunakan untuk membangun kembali irisan.

         MPR sering digunakan untuk memeriksa tulang belakang. Aksial gambar melalui tulang belakang hanya akan menampilkan satu tubuh vertebral pada satu waktu dan lebihnya lagi dapat menunjukkan diskus intervertebralis. Dengan reformatting volume, menjadi jauh lebih mudah untuk membayangkan posisi salah satu tubuh vertebral dalam hubungannya dengan yang lain.  .   MPR (Multi Planar Reconstruksi)

        MPR adalah Proses reconstruksi gambar dengan tujuan untuk mendapatkan gambaran long stenosis, long vessel segment. dilakukan hanya untuk melihat 1 cabang arteri koroner, persis me-nyamai hasil kateterisasi koroner rekonstruksi Multiplanar

3. Maximum Intensity Projection (MIP)  .

MIP adalah sebuah metode untuk computer dalam memvisualisasi data 3D yang proyek – proyek dibidang visualisasi pada voxels dengan intensitas maksimum yang jatuh di jalan sinar parallel dilihat dari sudut pandang terhadap bidang proyeksi. Ini berarti bahwa duaMIP rendering dari sudut pandang yang berlawanan gambar.

Teknik ini cepat, tapi hasil 2D tidak memberikan arti yang baik pada data asli. Untuk

meningkatkan hasil 3D, biasanya diberikan dari beberapa MIP frame dimana sudut pandang sedikit berubah dari satu ke yang lain, sehingga menciptakan ilusi rotasi. Ini membantu persepsi untuk menemukan posisi 3D relative dari objek komponen. Namun, karena proyeksi ortografi penampil adalah tidak dapat membedakan antara kiri atau kanan, depan atau belakang dan bahkan jika benda ini berputar searah jarum jam atau berlawanan jarum jam. Maksimum Intensity Projection merupakan rekonstruksi tiga dimensi yang digunakan untuk melihat jaringan tubuh sampai intensitas yang paling maksimum. Sebagai contoh untuk melihat perdarahan pada jaringan otak. MIP tidak dibutuhkan hardware komputer yang baik karena seperti surface rendering itu dibuat kurang dai 10% dari data 3D space

Pentingnya MIP komputer program render gambar 2D pada gambar komputer dari 3D data set ( slice) sebagai berikut :

1. Matematika ray hampir sama dengn satu ray tracking ) diproyeksikan dari mata peninjau melalui ruang 3D.
2. Sinar xray melalui voxel tertentu
3. Intensitas voxel yang dipilih kemudian disusun pada pixel ditampilkan pada gambar MIP.
4. Gambar MIP ditampilkan untuk peninjau. 17.16

Teknik MIP diilustrasikan pada sequence cepat untuk mengajukan peninjau untuk melihat gambar dapat diputar secara kontinue depan dan belakanguntuk menambah visualisasi 3d dari struktur yang komplex.

Menggunakan teknik postprosesing 17.18 menunjukan proyeksi yang banyakyang bervariasi hanya sedikit penambahan sudut. Salah satu masalah yang mendasar dengan teknik MIP adalah gambar yang berarti 2 macam kecuali isyarat dari kedalaman gambar disediakan.

Untuk membenarkan masalah ini ( Heated, 1995) pembobotan untuk kedalam MIP dapat digunakan. Untuk banyaknya intensitas banyaknya dari ketajaman voxel, tergantung dari jarak peninjau. Batas yang lain termasuk tidak dapat menampilkan struktur yang berada diatasnya karena hanya 1 voxel ( salah satu dengan intensitas maximal. Pada bagian dari voxel yang melintang oleh aretifak yang timbul dari pulsa pembuluh darah. Prokop 1997.

Keuntungan yang signifikan dari alogaritma MIP itu adalah telah menjadi teknik redering yang paling populer pada CT angiograpi (prokop 1997)  dan MR angiograpi. Karena pembuluh darah membawa media kontras dan terlihat secara jelas. Biasanya karena MIP digunakan kurang dari 10% dari volume data pada 3D space itu mengambil waktu lebih sedikit untuk simulasi gambar 3D daripada alogaritma volume

        MIP ini digunakan  untuk mendeteksi nodul paru – paru dalam program penyaringankanker paru- paru yang memanfaatkan computed tomography scan. MIP meningkatkan sifat 3D nodul ini, membuat gambaran menonjol dari bronki. MIP (Maximum Intensity Projection)

MIP yaitu proses reconstruksi untuk mencari gambaran LM, RCA, LCX dan LAD dengan mengatur ketebalan image, gambaran yang di dapat pada MIP yaitu gambaran dari pembuluh darah jantung secara memanjang, akan tetapi belum tentu bisa utuh. Gambaran dari MIP lebih digunakan untuk membedakan densitas / gradasi antara kalsifikasi dengan kontras yang ada di pembuluh darah (European Guidelines for Multislice Computed Tomography, 2004).

4. Shaded Surface Display (SSD)

SSD adalah teknik algoritma penggambaran (kadang-kadang disebut fitur ekstraksi atau iso permukaan) yang cocok pada permukaan dasar seperti polygon atau patch untuk nilai konstan kontur permukaan dalam data volume. Soft ware shaded surface display merupakan hasil rekonstruksi tiga dimensi dari bagian luarnya saja. Sebagai contoh pada penggunaan rekonstruksi tulang, gambaran tulang tampak dalam tiga dimensi sementara jaringan otak tidak ditampakkan.

Brain vessels reconstructed in 3D after bone has been removed by segmentation kapal Otak direkonstruksi dalam 3D setelah tulang telah dihapus oleh segmentasi

(diambil dari http://radiologyzone.com)

a.    ) CPR (Curve Planar Reconstruction)

CPR yaitu proses reconstruksi pengambilan pembuluh darah jantung dengan mengikuti kelengkungan pembuluh darah dari pangkal sampai ujung

b.      Fly Through

Fly Through yaitu aplikasi untuk menilai lumen intra vasculler secara 3 dimensi. Dengan menggunakan fly through dapat pula dilihat kalsifikasi  intra vascu).Seluruh proses pembuat gambar rekayasa tersebut dibuat pada work station khusus.

c.Rekonstruksi Algorithma

Rekonstruksi Algorithma adalah prosedur matematis yang digunakan dalam merekonstruksi gambar. Penampakan dan karakteristik dari gambar CT-Scan tergantung dari kuatnya Algorithma yang dipilih. Semakin tinggi rekonstruksi algorithma yang dipilih maka semakin tinggi resolusi gambar yang dihasilkan. Dengan adanya metode ini maka gambaran seperti tulang, soft tissue, dan jaringan-jaringan lain dapat dibedakan dengan jelas pada layar monitor.

1)      Transformasi fourier

Di  radiologi, transformasi fourier itu digunakan untuk merekonstruksi gambaran dari anatomi pasien di CT dan juga di dalam Magnetik Resonans Imaging (MRI). Bracewell menggambarkan Transformasi  Fourier seperti "suatu fungsi yang  menguraikan amplitudo dan tahap-tahap dari tiap sinusoid, yang berpasangan dengan suatu frekuensi yang spesifik. Dengan kata lain, Transformasi Fourier itu adalah suatu fungsi mathematika yaitu dengan mengkonversi suatu sinyal di dalam suatu daerah menjadi suatu sinyal  di daerah frekuensi.

2)      Konvulsi

Konvolusi  adalah suatu teknik pengolahan citra yang digital untuk memodifikasi gambaran-gambaran melalui suatu fungsi filter. "Proses ini  melibatkan perkalian dan memilih respon kurva detektor untuk menghasilkan sepertiga fungsi yang digunakan untuk rekonstruksi suatu image (Berland, 1987).

3)      Interpolasi

Interpolasi adalah suatu teknik matematika untuk memperkirakan fungsí suatu nilai dari nilai yang sudah diketahui pada suatu  fungsi tertentu. Interpolasi digunakan di CT  dalam proses rekonstruksi gambar dan penentuan irisan di CT spiral/ helical imaging.

Daftar Pustaka

Drebin, RA, Carpenter, L., Hanrahan, P., "Volume Rendering", Computer Graphics, SIGGRAPH88

Marc Levoy, "Tampilan Permukaan dari Volume Data", IEEE CG & A, Mei 1988

Seeram E: 3D Imaging: basic concepts for radiologic technologists, Radiol technol 69:122-145, 1998.

Seeram E: Radiation dose in CT, Radiol Technol 70:534-556, 1999.

Seeram E: Computed tomography technology. Philadelphia, 1982, WB Saunders

Sirr SA, Waddle JR: use of CT in detection of internal damage and repair and

determination of authenticity in highquality bowed stringed instruments Radiographics 19:639-646, 1999.

Yasuda T et al: 3D Visualization of an ancient Egyptian mummy, IEEE Comput Graph Appl 2:13-17, 1992.

Zonneveld FW et al: The use of the CT in the study of the internal morphology of hominid fossils, Medicamundi 34:117-127, 1989.