Procesarea imaginilor si a semnalelor
Transmiterea si procesarea imaginilor
Introducere:
Functionarea oricarui organism viu este insotita de modificarea permanenta in timp a unor parametrii biofizici si biochimici.Determinarea si inregistrarea acestor parametrii a condus la rezultate stiintifice importante, fiind elaborate o serie de metode de investigare bazate pe culegerea lor.
Definitia termenilor:
~ Semnal biologic=evolutia in timp a unei marimi biologice.
~ Imagini=o functie a intensitatii luminoase, notata f(x,y).Aceasta reprezinta intensitatea (luminozitatea) imaginii in sensul comun al cuvantului in punctul de coordonate (x,y).
Clasificarea Semnalelor biologice:
A) Dupa natura:
-electrice, de ex: semnalul ECG datorat activitatii electrice a inimii;semnalul EEG(semnale electrice la nivelul creierului), EMG(semnale electrice la nivelul muschiului).
-neelectrice, de ex: fonocardiograma (manifestari sonore ce insotesc ciclul cardiac), semnalul Doppler (variatia frecventei ultrasunetelor in miscare).
B) Dupa evolutia in timp:
b’) semnale deterministe (comportarea semnalului la orice moment poate fi predeterminata):
-periodice (semnale sinusoidale armonice).
-cvasiperiodice (in care o succesine de evenimente se repeda cu o anumita periodicitate,ca de ex.: ECG-ul).
-tranzitorii (apare numai prin stimulare iar forma ramane identica, ca de ex.: potentialul de actiune)
b’’)semnale stochastice/aleatoare (valoarea semnalului la un moment dat nu poate fi determinata din valoriile in momentele anterioare):
-stationare (in care anumiti parametrii, de ex. Media, raman constant, ca de ex.: ECG-ul).
-nestationare in care si parametrii statistici depind de timp, ca de ex.: EMG-ul).
De ce este utila prelucrarea imaginilor:
Dezvolatarea unor metode de prelucrare a imaginilor vine din doua mari preocupari:
-imbunatatirea imaginilor pentru a fi mai usor interpretabile de catre om;
-procesarea datelor din imagini pentru perceptia automata;
Tehnicile de prelucrare a imaginilor isi au originea la inceputul anilor 1920, cand a fost instalat cablul submarin Londra si New York si primele imagini au putut fi transmise pe aceasta cale.Timpul de transmitere a unei fotografii a fost resud de la mai mult de o saptamana (cu vaporul) la mai putin de 3 ore.Echipamentele specializate codau imaginile inainte de transmisie si le decodau la receptie, imprimandu-le.
Imagistica medicala:
Tehnicile imagistice medicale produc imagini care contin foarte multe informatii despre structura anatomica care este investigata, foarte importanta pentru a da diagnosticele corecte, in alegerea celei mai adecvate forme de terapie, in sondajele evolutiei tratamentelor si multe altele.Analiza imaginilor medicale a fost intotdeauna facuta vizual de fizicieni, dar in ultimele doua decenii, un puternic impuls a fost dat in dezvoltarea unor sisteme automate capabile sa ii asiste pe acesti fizicieni in sarcina lor, in mare parte, deoarece acestia aveau dorinta de a cuantifica numarul functional si anatomic al parametrilor, foarte util in punerea unui diagnostic si a terapiei corespunzatoare, lucru care poate fi evaluat doar de oameni specializati.
Din pacate, prezenta zgomotelor, variabilitatea formelor biologice a tesuturilor fac ca aceste sisteme automate sa fie foarte greu de folosit.Forma de a trece peste aceste probleme a fost simplificarea obiectivelor de analizat si exploatarea unor informatii prioritare a structurilor imaginilor.Aceste informatii despre structurile de analizat pot fi notiuni anatomice despre aparenta tipica (forma, nivelul de gri, pozitie) sau notiuni despre proprietatile statistice a nivelelor de gri a tesuturilor incluse in aceste structuri.
Transmiterea imaginilor:
In ziua de azi, transimterea imaginilor este o rutina si a fost necesara gasirea unui mod eficient de a le transmite prin internet. Necesitatea unui diagnostic rapid si sigur este vital pentru lumea medicala. Protejarea datelor digitale, in special a imaginilor medicale este importanta pentru confidentialitate si integritate. Pentru a fi transmise in siguranta, imaginile trebuie sa fie criptate. Odata decriptate, imaginile nu mai sunt protejate si pot fi copiatesi falsificate cu usurinta.
Criptarea imaginilor:
Ingreaca krypton=ascuns, graphein=a scrie. Criptografia este,deci stiinta care se ocupa cu securizarea informatiilor.
Imagine clara Imagine criptata
Criptarea este procesul de conversie a datelor intr-un format neinteligibil pentru persoane neatuorizate. Ca urmare, un mesaj clar este transformat intr-un mesaj criptat, pe care utilizatorii neautorizati nu il pot intelege, cu ajutorul unei chei de criptare si a unui algoritm criptografic.
Steganografia:
Steganografia este o tehnica mai veche decat criptografia si este tot un procedeu prin care sunt securizate informatiile. In contrast cu tehnicile criptografice, acolo unde sunt permise interceptarile mesajelor, precum si incercarile de decriptare,scopul steganografiei este de a ascunde mesajele in interiorul altor mesaje inofensive, intr-un mod ce nu permite detectarea faptului ca mai exista si un al doilea mesaj. Primul program criptografic a fost scris in anul 1994 si se numeste „Hide and Seek”.
Steganografia este folosita pe larg prin intermediul procedeului numit „watermarking”, procedeu prin care imaginile sunt marcate cu informatii nedetectabile privind drepturile de autor. Aceste informatii au rolul de a servi ca probe in eventualele procese ce privesc incalcarea acestor drepturi.
DICOM:
DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) – imagini digitale si de comunicatii in medicina – reprezinta standardul pentru manipulare, stocare, imprimare si transmitere a imaginilor medicale. Fisierele DICOM contin imagini, anumite date ale pacientilor, cum ar fi numele sau varsta, precum si tipul imaginii si interpretarea doctorului.
Imaginile medicale nu servesc numai pentru a da un diagnostic, pot sa fie folosite si in cercetare si in scopuri educationale. In cercetare este importanta preventia folosirii ilegale a informatiei. Inainte ca cercetatorii sa aiba autorizatia de a utiliza imaginile, personalul medical sterge toate datele care ar da detalii despre identitate pacientului, pentru a-i pastra intimitatea. In acest scop se foloseste anonimizarea datelor.
In cazul unor investigatii imagistice, pe langa filmele si interpretarea scrisa, rezultatul este pus si pe un CD. Atunci cand se pune problema trimiterii informatiilor medicale pentru diagnostic, se poate folosi posta, dar prin acest mijloc datele se pot pierde cu usurinta sau informatiile pot fi divulgate unor persoane neavizate. De aceea se foloseste transmiterea prin internet. Se poate utizila modul clasic de transmitere a imaginilor, dar este destul de complicat, aceasta metoda presupunand crearea unor parole noi.
De aceea s-a infiintat DICOM Library, un site gratuit cu ajutorul caruia imaginile pot fi transmise in siguranta, in conditii de anonimitate, facandu-le disponibile imediat persoanelor interesate si autorizate. Anonimizarea are loc pe computerul de pe care sunt trimise imaginile, deci acestea pleaca pe Internet cu datele compromitatoare sterse. Se evita insa trimiterea imaginilor cu numele scris in clar pe film deoarece acestea nu pot fi anonimizate.
Tehnici de procesare a imaginilor biomedical
Imaginile medicale sunt obţinute prin tehnice avansate, pe baza răspunsului
organismului la interacţiunea cu factori fizici în funcţie de caracteristicile anumitor
ţesuturi, convertite în grade de luminozitate (culori asociate convenţional sau în mod
uzual nuanţe de gri). Diferenţe mai mari între caracteristicile ţesuturilor conduc la un
contrast accentuat al imaginii, calitatea finală a imaginii fiind dată atât de
sensibilitatea şi rezoluţia echipamentului, cât şi de zgomotele şi artefactele suprapuse
peste semnalul util.
Printre factori fizici folosiţi în imagistica medicală enumerăm: ultrasunetele
(ecografie şi tomografie cu ultrasunete - principiul fizic reflexia la interfeţele dintre
ţesuturi), radiaţiile X (radiologie, tomografie X - principiul absorbţiei/atenuării
radiaţiei funcţie de densitatea ţesuturilor), factori chimici (trasori specifici,
radiofarmaceuticele) ce se fixează pe ţesutul investigat şi emit radiaţiile ionizante
(scintigrafie, tomoscintigrafie), câmpul electromagnetic (tomografie RMN –
principiul rezonanţei magnetice nucleare a protonilor într-un câmp magnetic)
Spre deosebire de tomografia computerizată (CT) care permite studierea anatomiei
umane furnizând imagini structurale, medicina nucleară relevă funcţionarea organelor
(imagini funcţionale). Prin fuziunea celor două tipuri de imagini funcţionale
(medicină nucleară) şi structurale (CT) se pot obţine imagini de calitate superioară,
existând scanere hibride (SPECT-CT, PET-CT). Tehnologia evoluează aşteptându-se
apariţia unor echipamente hibride din fuziunea imagistică prin rezonanţă magnetică
cu cele de medicină nucleară (PET-MRI)
Folosind tomografia computerizată se poate reconstrui imaginea 3D a unui obiect
pe baza mai multor secţiuni plane (tomos=felie), achiziţionate succesiv sub incidenţe
multiple. Detectorul şi emiţătorul de radiaţie nucleară poate efectua o deplasare
circulară în jurul organului de vizualizat. Tomograful încorporează un calculator
puternic pentru a putea procesa informaţia achiziţionată şi pentru a permite
vizualizarea fiecărei secţiuni.
Medicina nucleară (NM) utilizează izotopi radioactivi pentru diagnosticare şi
analiză, imaginile fiind obţinute pe baza distribuţiei în interiorul pacientului a unui
radioelement farmaceutic, care poate fi înghiţit, injectat intravenos sau inhalat ca un
gaz. Aceşti radiotrasori se acumulează numai în organele sau ţesuturile ce urmează a
fi examinate, de unde emit radiaţie nucleară captată de o gama cameră sau scanner
PET. Imaginile rezultate în urma măsurării cantităţii de energie emisă, oferă
informaţii funcţionale ale zonei de investigat. Camera cu scintilaţie (gama camera)
este conectată la un computer, procesarea informaţiei fiind realizată în două etape:
achiziţia datelor şi procesarea imaginilor.
Pentru o achiziţie efectuată în mod planar (scintigrafie plană) detectorul este mişcat
cu o viteză constantă de-a lungul întregului corp, fiecare pixel al imaginii rezultate
reprezentând o sumă a tuturor punctelor situate pe o axă imaginară ce traversează
întreg corpul pe o anumită direcţie. Sunt necesare achiziţii sub diverse incidenţe
(anterioară, posterioară, de profil sau oblice).
Achiziţia SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) pentru o sursă
cu emisie de radiaţie gama, sau PET (Positron Emission Tomography) la o emisie de
pozitroni este realizată în mod tomografic. Pornind de la aceste achiziţii primare
programul de procesare va permite reconstruirea secţiunilor sagitale, transversale,
frontale ale organului.
Echipamentele medicale pot realiza o procesare a imaginilor achiziţionate
realizând o filtrare/eliminare a zgomotului de fond sau a unor artefacte, corecţia unor
distorsiuni neomogenităţi a imaginilor, evaluarea numerică a unor caracteristici,
vizualizarea unor zone de interes etc.
Pentru manipularea imaginilor de tip PET, SPECT am dezvoltat mai multe
instrumente software, printre cele mai cunoscute fiind ICON, Sopha/SMV NXT,
DICOM şi SEGAMI. Fiecare dintre acestea lucrează cu anumite formate de imagini.
Printre avantajele unei investigaţii scintigrafice cele mai importante sunt faptul că este
neinvazivă, că iradierea este de obicei mică şi că pe durata celor câteva ore cât
radiotrasorul este activ se pot face mai multe vizualizări sub mai multe incidenţe, putând fi
chiar urmărită activitatea/funcţionarea unei anumite regiuni. De asemenea radiotrasorul se
localizează numai într-o anumită regiune, permiţând vizualizarea unor ţesuturi sau organe
ce nu pot fi vizualizate de exemplu prin radiografierea zonei datorită caracteristicilor
similare cu ţesuturile învecinate (de exemplu tiroida). Astfel de zone pot fi vizualizate si
prin RMN, fără a obţine însă decât informaţii structurale (nu şi funcţionale).