Zobrazovací systémy v lékařství - zkouška

Zkouškové termíny

Průběh zkoušky

Zkoušeni mohou být jen ti studenti, kteří získali zápočet ze cvičení. Zkouška začíná písemkou, na jejíž vypracování je 60min. Z písemné zkoušky mohou studenti získat maximálně 20 bodů. Body získané ze cvičení (max. 5 bodů) se přičtou k bodům z písemky.

Studentovi může být na základě výsledků písemné části nabídnuta známka bez dalšího zkoušení. Délka ústního zkoušení bude typicky 5-20 minut na jednoho studenta.

Hlavní částí hodnocení bude získaný počet bodů. Ústní část slouží zejména k potvrzení jeho oprávněnosti. Takto zjištěná známka může být ovšem změněna v případě velmi dobrého, nebo velmi špatného výsledku ústní části.

Korespondence mezi získanými počty bodů a známkou bude určena dle skutečné náročnosti písemky. Zhruba lze říci, že k absolvování zkoušky (t.j. k získání alespoň hodnocení prospěl) bude potřeba získat alespoň polovinu bodů.

Okruhy a příklady otázek ke zkoušce

1. Úkol lékařských zobrazovacích systémů a počítačového zpracování dat z těchto systémů. Příklady aplikací. Lékařské zobrazování - souvislost a návaznost fyziologie, fyziky snímání, snímacího zařízení, metody snímání, zpracování dat. Příklady snímacích zařízení. Úkol předzpracování, rekonstrukce a interpretace.
2. Klasifikace lékařských zobrazovacích modalit: Jakou informaci poskytují? Co je zdrojem energie? Jaký obraz poskytují (kvalita)? Cena? Elektromagnetické spektrum. Stručná charakteristika mikroskopie, rentgenologie, počítačové tomografie, ultrazvuku, MEG/EEG, MRI, nukleárních zobrazovacích metod (SPECT, PET, termografie)
3. Co je to digitální obraz? Jak vzniká? Co je to pixel? Jaký je rozdíl mezi digitálním zpracováním obrazu a analýzou obrazu? Proč je analýza obrazů těžká? Proč je lokální pohled nedostatečný?
4. Specifika zpracování lékařských dat.
5. Definujte matematicky spojitý šedotónový a barevný obraz, obraz s diskrétními souřadnicemi, kvantizovaný obraz. Jaké volíme okrajové podmínky?
6. Distribuce (zobecněná funkce), Diracova delta v 1D a n-D, vztah ke konvoluci.
7. Vzorkování, vzorkovací rastr, vzorkovací funkce, hustota vzorkování, aliasing. Interpolace, řád interpolace (po částech konstantní, lineární), vztah ke vzorkování.
8. Histogram, jak ho počítat, vztah k hustotě pravděpodobnosti, volba počtu binů, vyhlazování, váhovací jádro, problémy ve vyšších dimenzích a jak se jim vyhnout.
9. Kvantizace - rovnoměrná a adaptivní. Optimální kvantizace, kritérium optimality.
10. Vzdalenost - definice, priklady (L2,L1,...). Volba okolí. Topologie na diskrétní mřížce. Souvislost, vnitřek, vnějšek, hranice. Konvexita, konvexní obal, jezera, zálivy.
11. Úloha předzpracování, hlavní úkoly, uvažované okolí. Transformace jasové stupnice, gamma korekce, prahování, ekvalizace histogramu, korekce nehomogenity osvětlení.
12. Geometrické transformace, příklady, úkoly. Formulace přímá a duální. Souvislost s interpolací, konvoluce. Transformace bilineární, afinní, rotace. Odhad transformace z klíčových bodů. Metoda nejmenších čtverců. Homogenní souřadnice. Interpolace různých řádů, frekvenčně omezené signály, vzorkovací teorém (Shannon-Kotelnikov).
13. Variační formulace interpolace. Volba kritéria. Spliny, uniformní spliny, B-spliny, B-spline transformace.
14. Lokální operace předzpracování. Odstranění šumu průměrováním. Aplikace na jediný obraz. LTI filtry, specifika diskrétní reprezentace. Konvoluce, diskrétní konvoluce, masky. Aproximace Gaussova filtru, binomický filtr. Separabilita. Nelineární filtrace. Rotující maska. Mediánová filtrace. Robustní průměr (trimmed mean). Homomorfní filtrace.
15. Lineární integrální transformace. 2D Fourierova transformace (FT), inverzní Fourierova transformace, existence FT. Diskrétní Fourierova transformace. Rychlá Fourierova transformace. Souvislost s konvolucí. Spektra. FT speciálních signálů. Maticové vyjádření.
16. Restaurace obrazu - dekonvoluce. Příčiny degradace. Inverzní filtrace. Vliv šumu. Wienerova filtrace.
17. Detekce hran. Proč hrany hledáme? Co je to hrana? Gradient obrazu. Laplacián a další LTI operátory pro hledání hran. Náhrada diferencí derivacemi. Metody detekce hran. Vyhlazující filtr. Požadavky na ideální detektor. Laplacián Gaussiánu. Cannyho detektor.
18. Matematické morfologie, binární a šedotónová. Strukturní element, operace (dilatace, eroze, otevření, uzavření, obrys,...) a jejich vlastnosti. Kostra a její výpočet. Vzdálenostní transformace.
19. Fyzikalní podstata zobrazovacích metod, druhy záření, interakce s hmotou. Odraz zrcadlový a difusní. Elektromagnetické spektrum. Parametry elektromagnetických vln. Radiometrické a fotometrické veličiny - např. zářivý tok, ozáření. Prostorový úhel. Vinětace. Numerická apertura (f-číslo). BRDF popis a jeho zjednodušení, albedo, Lambertovský povrch.
20. Barva, fyzikální princip, měření (senzory), spektrometr, spektrum. Lidské vnímání barvy. Spektrální radiometrie. Druhy osvětlení z hlediska barevnosti. Reprezentace barev, míchání barev. Barevné kamery. Kolorimetrie (měření barev) vzhledem k osvětlení. Fyziologie vnímání barev.
21. Komprese obrazu. Cíle a specifika komprese obrazů. Redundance, princip komprese. Komprese s interpretací a bez interpretace. Ztrátovost, kompresní poměr. Kódování hranic. Run-length-encoding. Komprese založené na transformacích. Prediktivné komprese. Entropické kódování (Huffmanovo, aritmetické). Komprese videa. Entropie - výpočet, vztah ke kompresi. JPEG.
22. Aktivni kontury a jejich aplikace. Popisy krivek - parametricke a neparametricke. Délka křivky jako parametr. Popis evoluce křivky - externí/interní síla a energie. Příklady. Level sets (křivky úrovní). Křivost (curvature), normála, tečný vektor, curvature flow. Level set funkce, funkce vzdálenosti. Rovnice evoluce křivky v parametrickém a level-set vyjádření. Akcelerace, narrow-band.
23. Registrace obrazů. Co to je, aplikace. Deformace (warping), vztah k interpolaci a k registraci. Klasifikace registračních metod - prostor příznaků, prostor parametrů, kritéria podobnosti, strategie hledání. l-normy, korelace, vzájemná informace. Regularizace. Vícerozměrná optimalizace. Vícerozlišení (multiresolution). Klíčové body, hledání, interpolace, thin-plate splines.
24. Komprese obrazu. Cíle a specifika komprese obrazů. Redundance, princip komprese. Komprese s interpretací a bez interpretace. Ztrátovost, kompresní poměr. Kódování hranic. Run-length-encoding. Komprese založené na transformacích. Prediktivné komprese. Entropické kódování (Huffmanovo, aritmetické). Komprese videa. Entropie - výpočet, vztah ke kompresi. JPEG.
25. Termografie. Aplikace. Senzory. Absolutně černé těleso. Planckův zákon, Stefanův-Boltzmannův zákon.
26. Mikroskopie. Aplikace, výhody, nevýhody. Konstrukce mikroskopu. Zvětšení. Tvorba obrazu. Obrazy nultého, prvního, ... řádu. Difrakce. Limit rozlišení. Osvětlení. Optické aberace, korekce. Techniky zvýšení kontrastu (tmavé pole, Rheinbergovo osvětlení, fázový kontrast, polarizace, Hoffmanova modulace, differenciální interference). Fluorescenční mikroskopie. Elektronová mikroskopie. Konfokální mikroskopie. Automatizace. Senzory.
27. Rentgenologie, rentgenové paprsky, elektromagnetické spektrum, konstrukce rentgenu, zdroj záření a jeho vlastnosti, interakce záření s hmotou (např. fotoelektrický jev), zeslabování při průchodu tkání, zlepšování kvality obrazu, snímací prvky (film a digitální), šum, rozlišení, kontrastní látky, angiografie, použití v medicíně.
28. Elektroencefalografie. Principy, snímání, elektrody. EEG vlny, moznosti diagnostiky. Evokovaný potenciál. Magnetoencefalografie, principy, senzory, potlačení rušivých signálů. Vznik elektrických signálů v mozku. Geometrický a elektrický model hlavy. Maxwellovy rovnice, kvazistatická aproximace, primární a sekundární proudy, Biot-Savartův zákon, Ohmův zákon v diferenciálním tvaru. Laplacova/Poissonova rovnice pro elektrické pole a primární proudy. Modelování zdrojů proudu. Objemové a povrchové metody řešení parciálních diferenciálních rovnic, metoda konečných diferencí. Metoda konečných prvků. Principy metody hraničních prvků (Boundary Element Method).