VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería Habana 2007 MÉTODO PROGRAMABLE PARA LA DETERMINACIÓN DE TAMAÑO DE OBJETOS EN IMAGEN DE TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA E. Ramírez Centro Médico Diagnóstico de Alta Tecnología, Valera, Estado Trujillo. erickeduardo1980@gmail.com RESUMEN Se presenta un algoritmo para determinar el tamaño de objetos visibles en imágenes de tomografía computarizada. Se muestra su implementación en un lenguaje de programación y se aplica en el cálculo de tres parámetros de control de calidad de imagen estandarizados. Se estima la reducción de la subjetividad con respecto a la medición manual. Palabras clave: procesamiento de imágenes, tomografía computarizada, control de calidad. 2. METODOLOGÍA Un criterio estándar de tamaño de objetos lo suficientemente contrastables como para que en su perfil se distinga con facilidad la parte correspondiente al objeto del fondo del mismo (ver Fig. 1) es el ancho de la semialtura de este perfil [2] que está dado por la expresión (1). AS = ( SI − SD ) ⋅ RES donde: AS: Ancho de semialtura. SI: Posición de semialtura izquierda. SD: Posición de semialtura derecha. RES: Resolución del píxel 1. INTRODUCCIÓN La evaluación de la calidad de imagen en Tomografía Computarizada (TC) es un asunto difícil de abordar, que no puede verse separado del objetivo primario del diagnóstico médico. En él influyen un grupo enorme de variables y circunstancias pero se han formalizado algunos criterios de aspectos técnicos basados en imágenes obtenidas bajo determinadas condiciones para realizar esta evaluación. En la literatura se describen, entre otros parámetros que pueden emplearse para describir la calidad de una imagen en TC, la Resolución espacial, la Resolución axial y la Resolución de bajo contraste y se exponen criterios cuantitativos de estimación de éstos. Normalmente se utilizan métodos de cálculo que implican mediciones de tamaños de objetos visibles en la imagen que introducen errores de apreciación si se realizan manualmente [1], [2], [5]. El presente trabajo tiene como objetivos presentar un método programable de determinación de tamaño de objetos visibles con ciertas características, mostrar los resultados de un programa basado en este método para el cálculo de TC la Resolución espacial, la Resolución axial y la Resolución de bajo contraste de una imagen de TC con criterios estandarizados, así como estimar la reducción de la influencia de factores subjetivos en la medición con el programa en comparación con métodos manuales. (1) El perfil es la representación gráfica de un vector o arreglo unidimensional tomado en la dirección vertical u horizontal en la matriz de la imagen en la región que contiene al objeto. De los términos de (1) se conoce la Resolución del píxel por la información que ofrece el formato DICOM de imágenes médicas [8]. El valor de la semialtura en el vector puede calcularse de manera burda a través de (2). SA = (max − min) + min 2 (2) donde: SA: Valor de la semialtura. max: máximo del vector. min: mínimo del vector. Con este valor se puede recorrer el arreglo unidimensional y determinar la posición de semialtura izquierda y derecha buscando desde la posición del máximo hacia el comienzo del vector o hacia el final según el caso. Sin embargo, debido al ruido en la imagen [2], el máximo y el mínimo del vector no son criterios aceptables del valor de la meseta y del fondo respectivamente (ver Fig. 1) y por consiguiente el valor de semialtura calculado por (2) no es ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T130 VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería Habana 2007 confiable. Por este motivo se recomienda determinar el valor medio de ambas regiones. las características particulares del tomógrafo que se dispone y se validen a partir de objetos de tamaño conocido de un maniquí de calidad de imagen [2], [3], [4]. Para utilizar este método en el cálculo de los parámetros descriptores de calidad que incluyen tamaños de regiones hay que tener en cuenta algunas particularidades de éstos que se describen a continuación. Fig. 1. Imagen representativa de un perfil de objeto en imágenes TC. El máximo y el mínimo están señalizados. El método que se propone utiliza la posición de semialturas izquierda y derecha “burdas” obtenidas como punto de referencia para buscar el comienzo de las regiones de meseta y de fondo. Se utiliza el principio de cambio de signo de la derivada para encontrar el primer pico debido al comienzo de cada región a partir de la referencia. En este caso, como se tienen valores discretos en el arreglo, se utiliza el cambio de signo de la diferencia entre valores contiguos para encontrar picos. Una vez localizadas tres regiones: la del fondo izquierda, la de meseta y la de fondo derecha se construyen dos subvectores con valores de fondo y de meseta y la semialtura está dada entonces por (3): SA = ( M mes − M fon ) 2 + M fon Fig. 2. Imagen representativa de un perfil con rampa de descenso ruidosa. En [2] se describe como uno de los criterios para evaluar la resolución espacial el ancho de la semialtura de la Función de Dispersión Puntual (PSF) que es el vector respuesta a un alambre o elemento muy fino colocado paralelo al eje z, de forma tal que un corte axial realizado en condiciones ideales debe visualizarse como un punto en la imagen. Este valor está dado por la expresión (1) en un perfil similar al de la Fig 3. (3) donde: SA: Valor de la semialtura. M mes: Valor medio del subvector de meseta. M fon: Valor medio del subvector de fondo. Con este nuevo valor de semialtura se puede recorrer el arreglo nuevamente en busca de la posición de las semialturas izquierda y derecha, para posteriormente calcular el ancho de la semialtura a través de (1). El método hasta aquí descrito tiene el inconveniente que si se producen cambios de signo de la derivada en la rampa de ascenso o descenso del perfil debido al ruido, los valores medios de meseta y fondo no serán confiables (ver Fig.2). Para evitar esto se propone comenzar la búsqueda de los comienzos de meseta y fondo a partir de dos posiciones con un por ciento preestablecido de cercanía y utilizar la posición de semialtura burda como referencia para validar las posiciones encontradas. Los valores del por ciento de la altura a partir del cual de comienza a buscar se sugiere que se establezcan a partir de Fig. 3. Imagen representativa de un perfil correspondiente a la función de dispersión puntual. La determinación manual de la semialtura puede hacerse midiendo la distancia equivalente al tamaño visible de la mancha del alambre en un corte real, con un ancho y centro ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T130 VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería Habana 2007 de ventanas escogidos de forma tal que ese valor se acerque al ancho de la semialtura buscado lo más posible. Es evidente que la apreciación del usuario tendrá influencia notable en tal medición. El algoritmo descrito en usando el programa. Se utilizó un visor de imágenes DICOM para medir los valores de forma manual [7]. la sección anterior se presenta como una opción para reducir subjetividad en este cálculo, con la particularidad de que en este perfil no existe meseta y en (2) puede sustituirse el valor medio del subvector de meseta por el valor máximo del vector. Se sugiere implementar un programa en un lenguaje que permita la manipulación de imágenes DICOM como el MATLAB [6] una función en la que el localice en la imagen la región correspondiente al alambre o en un caso más avanzado que reconozca este patrón en la matriz. Un buen criterio de la resolución axial es el espesor de corte, es decir, la anchura real de la rodaja atravesada por el haz de rayos-x y procesada por el algoritmo de reconstrucción. Este puede ser cuantificado calculando el ancho de la semialtura del perfil obtenido con una rampa de ángulo de inclinación conocido con respecto al eje z [2]. Este valor guarda una relación trigonométrica con el espesor de corte real dada por (4). EC = AS ⋅ tan(α ) (4) donde: EC: Espesor de corte AS: Ancho de semialtura del perfil de la rampa α: Angulo de inclinación de la rampa con respecto al eje z. La medición manual del espesor de corte utiliza un método similar al explicado en la sección 2.1. con los correspondientes errores de apreciación [2]. Se propone el uso del algoritmo descrito para reducir la influencia de esos errores con la particularidad de que se puede facilitar el cálculo completo del espesor dado por (4) ya que se conoce el valor del ángulo α por las características del maniquí de calidad que se use. Es conocido que la Resolución de contraste se expresa en términos relativos como dependencia del valor del UH del aire y del tamaño del objeto contrastado [2]. En este caso programar el cálculo del ancho de semialtura es una tarea de mayor complejidad por lo ruidoso de los perfiles obtenidos (ver Fig. 4) Se recomienda validar la obtención de un perfil de mala calidad para la aplicación del algoritmo en el que un cambio de signo de la derivada por el ruido de fondo del perfil prácticamente no pueda reconocerse. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se aplica un programa basado en el método descrito en el cálculo de parámetros de calidad del tomógrafo axial computarizado Brilliance 40 de Philips [9] instalado en el Centro Médico Diagnóstico de Alta Tecnología de Valera, estado Trujillo, Venezuela. En las Tablas I y II se muestran los valores obtenidos para varias mediciones realizadas bajo las mismas condiciones (en la misma imagen), por métodos manuales y Fig. 4. Dos ejemplos de perfiles ruidosos obtenidos en el cálculo de la Resolución de contraste. A: perfil aceptable. B: perfil no aceptable. Se provee una comparación estadística basada en desviación estándar como criterio de subjetividad. En el caso de la Resolución de contraste se muestra en el resumen de resultados el valor del tamaño del objeto medido para evidenciar la influencia de la apreciación del operador. Se observa una notable diferencia en las desviaciones estándar entre los resultados obtenidos cuando se utiliza el programa y cuando se aplican métodos manuales, siendo las primeras mucho menores. Se obtiene además algo interesante si se calcula la dispersión de los valores obtenidos en cada caso con uso del programa y sin él. La Tabla III muestra estos resultados. Las dispersiones de los valores obtenidos usando las funciones resultan notablemente menores. Como la dispersión es el promedio de las desviaciones absolutas de la media de los puntos de datos, este resultado sugiere una mayor continuidad y mayor precisión de las mediciones realizadas con el MATLAB con relación a las obtenidas con el visor DICOM. ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T130 VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería Habana 2007 Tabla I Resumen de los valores experimentales obtenidos de la Resolución de contraste. Variable Valores Prom. Desv. Est. Con función ResC Tam 3.6451 3.418 3.9526 3.418 4.0436 3.418 4.0780 3.418 4.0892 3.418 4.1318 3.418 4.1402 3.418 4.1583 3.418 4.1915 3.418 4.2326 3.418 4.06629 3.418 0.00068 0 Sin función ResC Tam 3.0744 3 4.1359 4 3.9202 4 3.1559 3 4.0640 4 3.1829 3 4.1359 4 4.0640 4 4.0281 4 3.1559 3 3.6917 3.5000 0.45291 0.48989 ResC es la resolución de contraste expresada en %⋅mm y Tam el tamaño expresado en mm. Prom. y Desv. Est. son el promedio y la desviación estándar respectivamente de la columna correspondiente. Con Función se refiere a valores obtenidos usando el programa creado, sin función son columnas de valores resultantes de métodos manuales. Tabla II Resumen de los valores experimentales obtenidos de la Resolución espacial y el Espesor de corte. Variable Valores Prom. Desv. Est Con función ResEsp 1.9804 1.9807 1.9810 1.9798 1.9807 1.9808 1.9796 1.9806 1.9808 Sin función ResEsp 1 2 2 2 1 2 1 1 1 Con función Espesor 5.7685 5.7702 5.7699 5.7693 5.7692 5.7693 5.7702 5.7689 5.7684 Sin función Espesor 5 4 5 5 4 5 5 5 4 1.9811 1 5.7688 5 1.9806 1.4000 5.76927 4.6 0.00049 0.51639 0.00061 0.489897 ResEsp es la resolución espacial expresada en mm, Espesor es la resolución de contraste expresada en %⋅mm y Tam el tamaño expresado en mm. 4. CONCLUSIONES Se muestra un método para el cálculo del tamaño de un objeto basado en el ancho de la semialtura y se implementa un programa que utiliza este método para el cálculo de tres de los parámetros estandarizados de evaluación de calidad de imágenes en Tomografía Computarizada: La Resolución espacial, la Resolución axial tomando el Espesor de corte real como criterio y la Resolución de contraste. Se aplica este programa a una imagen obtenida en un Tomógrafo Computarizado con un maniquí de calidad realizando varias mediciones. La menor desviación estándar en los resultados obtenidos usando las herramientas en comparación con las mediciones realizadas por métodos convencionales corrobora una reducción de la influencia de la apreciación del operador y por consiguiente, de la subjetividad del valor. Las menores dispersiones de los valores obtenidos con las herramientas indican una mayor precisión de las mediciones realizadas sobre imágenes en el MATLAB en comparación con el visor DICOM utilizado. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] G. Bongartz et al, “Quality Criteria for computed tomography”. European Comission’s study group on “Development of quality criteria for Computed Tomography”. 1998. I. Hernando, “Control de calidad en Tomografía computarizada”, V Regional Congreso of Radiation Protection and Service. Recife. 2001. Imaging Physics Department. “Recommendations for Routine Testing and Quality Control for Diagnostic Imaging Equipment”.Cancercare Manitoba. 2004. International Electrotechnical Commission: “Evaluation and routine testing in medical imaging departments”. Part 2-6: “Constancy test –x-ray equipment for computed tomography, 1994: IEC 1223-2-6 (Geneva, IEC). P. P. Lin et al, “Specification and acceptance testing of Computed Tomography Scanners”. 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