Appunti di Dispositivi medicali e diagnostici

Digital image processing

Elaborazione del segnale digitale, immagini e serie di immagini. Diversi formati che permettono di comprimere l’informazione, compressione per ridurre l’impiego di memoria e ridurre l’impegno durante il trasferimento dell’immagine.

Formati di immagine

Nell’ambito fotografico non compresse solo le TIFF, cioè il formato è basato sul fatto che ci sono tag cioè zone iniziali che presentano informazioni aggiuntive dell’immagine. Prendere un file e stabilire che tutti i punti sono rappresentati in termini di intensità secondo una sequenza normale. Tag = info messa all’inizio del file che indica ad esempio il numero di righe e di colonne. Per ricostruire l’immagine e salvarla nella memoria. Non permette di comprimere l’informazione.

Per comprimere ci sono i Jpeg, immagini prevalentemente definite per visualizzazione non per ambito medico. Se ci sono diversi pixel ad intensità zero, invece che segnarli tutti segno tot pixel hanno valore zero. Per intensità inferiori a 5 le considero come zero perché l’occhio umano non riesce a distinguerli. Immagine leggermente variata ma visivamente non me ne accorgo e questo significa che posso comprimere ancora di più il file.

Immagini a colori

Il formato delle immagini è sempre basato su bit ma replicati per 3 volte perché consideriamo immagini a colori, 8 bit quando è in bianco e nero, mentre sarà 24 bit per immagini a colori perché definiamo i colori in tre canali fondamentali red, green and blue (RGB), ognuno con intensità da 0 a 255.

Standard e protocolli

Le società di radiologia e i produttori dei dispositivi si sono messi insieme per definire un nuovo standard perché prima ognuno usava il suo metodo. 4 agenzie si sono messe insieme per definire un sistema che permettesse di ottenere un’immagine con un formato standard e un protocollo per il trasferimento di immagini. DICOM regola il formato e il protocollo di trasmissione. Partito negli anni ’80 ed è arrivato negli anni ’90 con il formato oggi utilizzato.

In un file DICOM ci sono le info delle intensità dei pixel, questa zona è solo un piccolo modulo di tutto il file. Il file è diviso in 4 sezioni: paziente, immagine, serie di immagini e la quarta contiene le immagini vere e proprie e le loro info. Mettere nelle immagini le info relative al paziente. Architettura più sicura, problema di attribuire un’immagine ad un paziente. Problema dei dati di laboratorio che si aggira attorno al 3-4%, confondere pazienti. Mettere all’interno del file quello che serve per identificare il paziente e le sue info relative.

Sistema sicuro basato su un formato che deve gestire le info nelle diverse sezioni. Bisogna definire come unire queste sezioni, dati generali e dati dell’immagine. Per fare ciò si è deciso di mettere le info non relative alle immagini cioè i meta dati in etichette o tag, spazio di memoria del file in cui sono memorizzati dei caratteri. Posso scrivere il nome del paziente o altro. Devo però definire come metterle. Identificare con un’etichetta il tipo di info messo nel tag. Codifiche, sequenza di quattro numeri. Definito il significato delle cose messe nel tag, posso leggere i tag e so quale info è contenuta nell’immagine. In base al tag capisco che tipo di info ci sono. Parte di meta dati e parte di intensità.

Comunicazione e trasferimento

Il formato DICOM permette anche la comunicazione, trasferire le immagini. Prima le tac creavano il file digitale e poi lo stampavano. Oggi è tutto digitale, trasferimento su una rete di comunicazione, improvement nel ’93 con il protocollo TCP/IP. Protocollo cioè modo per comunicare, stabilire con chi e scegliere un modo per rendere la comunicazione sicura.

Immagine DICOM trasferita da un collegamento da una macchina che faceva da server e una che faceva da provider. Entità che riuscivano a scambiarsi info perché instauravano un protocollo di trasmissione. Il canale può risultare occupato in quanto i file scambiati sono pesanti, oggi sistemi in parallelo e scambi ad alta velocità. Immagine prodotto dallo strumento, visualizzabile dalla workstation, inviata ad un sistema di trasmissione.

Oggi è possibile scrivere file su supporti magnetici e lasciarlo al paziente o inviarli con internet. Oggi le tac refertate negli Stati Uniti vengono refertate in India. Agenzie in India con esperti che refertano e i referti sono pronti al mattino e sono costati meno. La trasmissione ha cambiato il modo di gestire la clinica, come la tecnologia modifica le procedure operative della medicina.

Elaborazione delle immagini

Per processare le immagini. Diminuire il rumore che vediamo sull’immagine frutto dell’errore durante la misura, una certa variabilità che si ripercuote sull’immagine con una sfocatura, segni spuri. Errore casuale = rumore.

Aumentare le particolarità dell’immagine, istogramma dell’immagine. Cercare di estrarre parti delle immagini perché gli oggetti contenuti hanno info differenti da quelle delle aree circostanti. Definire quale è l’oggetto e quale è lo sfondo. Segmentare le immagini. Posso fare misure, ad esempio nei pazienti COVID ci sono aree più luminose perché oltre all’aria c’è acqua dovuta all’infiammazione identificare dove è la zona infiammata. Questo paziente ha un’area importante o meno, dare una quantificazione. Permette di capire se stanno aumentando o diminuendo.

Qualità dell'immagine

Devo vedere la qualità dell’immagine, se è presente rumore. Cosa intendiamo per qualità dell’immagine, concetto innato. In generale si basa su caratteristiche come risoluzione spaziale, cioè la distanza tra due punti dell’immagine. Altra è la risoluzione a livello del segnale, spettrale. Intensità definita da 0 a 255, se il segnale ha tante info nello stesso pixel ho una risoluzione spettrale alta.

Il segnale potrebbe avere contenuti spettrali complessi, costruire lo spettro della radiazione e differenziare i vari punti a seconda dello spettro. Risoluzione radiometrica. Risoluzione temporale. Noi studiamo le immagini anche per studiare le variazioni nel tempo, evoluzione e dinamica del fenomeno, se vengono fatte in tempi ravvicinati avremo molte acquisizioni che descrivono andamenti nel dettaglio. Le serie di immagini, maggiori sono le qualità maggiori è la qualità totale dell’immagine. Qualità, legata al rapporto tra segnale rumore. A seconda della dispersione dei dati capisco qual è il rumore e quale è il segnale. Il rapporto segnale rumore più favorevole con rumore molto piccolo.

Qualità come la differenza di intensità del segnale diviso il punto a cui facciamo riferimento. Possiamo definire delle qualità diverse perché definiamo diverso il contrasto cioè la differenza tra l’intensità di due punti.

Istogramma dell'immagine

Frequenza dei pixels, percentuale di pixels che hanno una certa intensità e intensità. Numero di colonne per righe indica il numero di pixel. Istogramma ben distribuiti indica una buona qualità dell’immagine perché se calcolo il contrasto la differenza di luminosità è uniforme su tutta l’immagine. Se l’istogramma ha picchi pronunciati ci sono