L immagine digitale in diagnostica per immagini

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1 L immagine digitale in diagnostica per immagini

2 Mario Coriasco Osvaldo Rampado Nello Balossino Sergio Rabellino L immagine digitale in diagnostica per immagini Tecniche e applicazioni Presentazione a cura di Francesco Sicurello Luisa Begnozzi Alessandro Beux

3 Mario Coriasco Dipartimento di Neuroscienze Università di Torino Nello Balossino Dipartimento di Informatica Università di Torino Osvaldo Rampado S. C. Fisica Sanitaria A.O. Città della Salute e della Scienza Torino Sergio Rabellino Dipartimento di Informatica Università di Torino I lettori possono accedere a un software gratuito ( un vero e proprio laboratorio di elaborazione di immagini con il quale esercitarsi a riprodurre gli esempi di elaborazione illustrati. In copertina: una elaborazione grafica agli pseudo-colori del modulo della trasformata di Fourier di un'immagine digitale (Mario Coriasco, Sergio Rabellino). ISSN ISBN ISBN (ebook) DOI / Springer-Verlag Italia 2013 Quest opera è protetta dalla legge sul diritto d autore e la sua riproduzione anche parziale è ammessa esclusivamente nei limiti della stessa. Tutti i diritti, in particolare i diritti di traduzione, ristampa, riutilizzo di illustrazioni, recitazione, trasmissione radiotelevisiva, riproduzione su microfilm o altri supporti, inclusione in database o software, adattamento elettronico, o con altri mezzi oggi conosciuti o sviluppati in futuro, rimangono riservati. Sono esclusi brevi stralci utilizzati a fini didattici e materiale fornito ad uso esclusivo dell acquirente dell opera per utilizzazione su computer. I permessi di riproduzione devono essere autorizzati da Springer e possono essere richiesti attraverso RightsLink (Copyright Clearance Center). La violazione delle norme comporta le sanzioni previste dalla legge. Le fotocopie per uso personale possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dalla legge, mentre quelle per finalità di carattere professionale, economico o commerciale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, Centro Licenze e Autorizzazioni per le Riproduzioni Editoriali, autorizzazioni@clearedi.org e sito web L utilizzo in questa pubblicazione di denominazioni generiche, nomi commerciali, marchi registrati, ecc. anche se non specificatamente identificati, non implica che tali denominazioni o marchi non siano protetti dalle relative leggi e regolamenti. Le informazioni contenute nel libro sono da ritenersi veritiere ed esatte al momento della pubblicazione; tuttavia, gli autori, i curatori e l editore declinano ogni responsabilità legale per qualsiasi involontario errore od omissione. L editore non può quindi fornire alcuna garanzia circa i contenuti dell opera Layout copertina: Ikona S.r.l., Milano Impaginazione: C & G di Cerri e Galassi, Cremona Stampa: Esperia S.r.l., Lavis (TN) Springer-Verlag Italia S.r.l., Via Decembrio 28, I Milano Springer fa parte di Springer Science+Business Media (

4 Presentazione Da sempre i processi decisionali umani, necessari a comprendere fenomeni naturali e sociali o a risolvere i problemi connessi, necessitano di elaborazione, analisi e valutazione di parametri, variabili ed elementi informativi utili al caso; questi ultimi si presentano sotto svariate forme (testi, dati, grafici, segnali, immagini, suoni). L informazione da cui trarre supporto alle decisioni, oltre a presentarsi in forme varie, può essere registrata su diversi tipi di documenti (fisici, cartacei, elettronici) che possono contenere: testi scritti per esprimere concetti e descrivere esperienze, dati numerici o alfanumerici come risultati di misurazioni o di codifiche, segnali acustici e tracciati, immagini, forme pittoriche ed eidetiche che raffigurano o fotografano uno o più aspetti della realtà osservata. Ciò storicamente è sempre avvenuto, con metodologie, tecnologie e strumenti diversi e sempre più evoluti, in quasi tutti i campi di studio e dell osservazione umana: dalle scienze naturali pure e applicate a quelle economiche e sociali: dalla fisica alla chimica, dalla biologia alla medicina, dall economia alla sociologia, dalla meteorologia alla sismologia, e così via. In campo biomedico e sanitario, a cui gli autori del libro principalmente si riferiscono, i servizi diagnostici erogati ai pazienti da ambulatori specialistici, ospedali e centri clinici direttamente o anche a distanza (con sistemi di telemedicina) sono ormai basati su segnali e immagini di tipo digitale e il loro trattamento automatico costituisce un valido apporto al decision-making dei medici e degli operatori sanitari. Nelle diverse strutture diagnostiche, come ad esempio le divisioni di radiologia, sono presenti ormai sofisticate e complesse apparecchiature biomedicali, strumentazioni e biodevices innovativi ed evoluti che consentono di osservare approfonditamente e raccogliere informazioni sempre più precise per la definizione di un completo quadro clinico del paziente. La diagnostica per immagini, con il suo impatto visivo, fornisce un notevole aiuto al processo diagnostico-terapeutico nella quotidiana attività di cura e assistenza sanitaria, specialmente nei campi medici più complessi come quelli dei tumori o delle patologie neurologiche, ma anche in cardiologia, ortopedia e nel monitoraggio di malattie croniche. L obiettivo è sempre quello di arrivare in tempi rapidi a una corretta diagnosi, per esempio consentendo nelle malattie oncologiche di individuare con maggior precisione la sede delle alterazioni e la loro natura, riducendo così i margini di errore nelle te - rapie. v

5 vi Presentazione La diagnostica per immagini, in particolare nel settore radiologico, fino a non molti anni fa dominata da strumentazioni di tipo analogico, ha subito un cambiamento profondo, grazie all introduzione di nuovi apparati tecnologici (quali NMR, TAC, PET, OCT, retinografi, ecografi, angiografi, mammografi, ecc.) che forniscono immagini in formato digitale. Il passaggio dall analogico al digitale, non solo in radiologia ma anche in altri settori clinico-diagnostici come, per esempio, in cardiologia, oftalmologia, neurofisiologia, anatomia patologia, offre all operatore sanitario tutti i vantaggi del trattamento automatico delle immagini (acquisizione, ricostruzione, archiviazione, trasmissione, analisi) come rapidità di elaborazione, economicità e maggiore efficacia. In questo contesto si stanno sempre più diffondendo sistemi informatici di archiviazione e comunicazione di immagini come il Picture Archiving and Communication System (PACS), che vengono integrati nei sistemi e sottosistemi informativi sanitari (Sistema Informativo Ospedaliero, SIO; Radiological Information System, RIS; ecc.). Qui assumono notevole rilevanza e importanza i sistemi di interoperabilità, gli standard informatici e di comunicazione, per far sì che ci possa essere indipendenza tecnologica dalle modalità o dagli strumenti che producono segnali o immagini. Per queste ultime, per esempio, vi è uno standard ormai affermato denominato Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM), usato per l archiviazione e lo scambio di immagini biomediche, specialmente in campo radiologico. La messa in opera e la gestione dei sistemi di diagnostica per immagini richiedono anche un adeguata organizzazione e la disponibilità di specifiche figure professionali che, assieme alle competenze tipiche degli operatori e tecnici sanitari, abbiano una conoscenza di informatica e di tecniche di trattamento e gestione delle immagini e siano in grado di comprendere il funzionamento di sistemi informatici complessi e multimediali. In tal senso, una nuova figura tecnico-professionale può essere quella di Amministratore di Sistemi Informatici in Diagnostica per Immagini, che oggi viene formata con livelli di preparazione adeguata come corsi di laurea o master di 1 e 2 livello. Nella stesura del testo gli autori si sono ispirati ai temi sopra accennati e hanno sfruttato la loro esperienza interdisciplinare in ambito eidetico. Ne è nato così un volume che descrive fondamenti utili per acquisire, elaborare e valutare le immagini radiologiche con un approccio interdisciplinare, che coniuga contributi tecnico-scientifici della fisica, informatica, biomedicina e radiologia: medici, tecnici di radiologia, ricercatori, tecnologi e professionisti dell informatica medica, della fisica sanitaria o della telemedicina e tutti gli operatori, in genere, del campo biomedico e sanitario vi troveranno un valido riferimento conoscitivo e didattico. Maggio 2013 Prof. Francesco Sicurello Docente di Informatica Medica e Telemedicina, Università di Milano Bicocca; Presidente Istituto Internazionale di TeleMedicina (IITM)/ Associazione Italiana di Informatica Medica e Telemedicina (@ITIM)

6 Presentazione Un testo utile. Questa è la sensazione che si ha affrontando la lettura di questo libro. Utile e chiaro. Di questo libro, che si propone di analizzare i principali metodi di elaborazione delle immagini digitali utilizzando un linguaggio semplice e, in particolare, un elevato numero di esempi illustrativi, si apprezzano molteplici aspetti: la scientificità, la ricchezza e la capillarità dei contenuti, la chiarezza ma soprattutto l intento, che è quello di sensibilizzare gli operatori coinvolti nel processo di acquisizione e formazione dell immagine radiologica ad appropriarsi di conoscenze scientifiche idonee, utili alla corretta gestione del processing delle immagini radiologiche in ambito digitale. L obiettivo è, infatti, quello di fornire al lettore le chiavi per analizzare le funzioni delle piattaforme informatiche che utilizzerà nella pratica quotidiana. Il rapido e diffuso passaggio dalla tecnologia analogica a quella digitale ha comportato un acquisizione e un uso a volte inconsapevole delle nuove tecnologie e delle relative potenzialità, in particolare per quanto riguarda quei processi non direttamente controllabili dall operatore e genericamente gestiti dalle ditte, primo fra tutti il processo di elaborazione dell immagine, spesso visto come un inaccessibile scatola nera. Tra le tante innovazioni correlate alla diffusione massiccia di immagini digitali in radiodiagnostica, l introduzione di elaborazioni intrinseche che agiscono senza il diretto controllo degli operatori, se da un lato ha favorito un indiscutibile miglioramento dell informazione ottenibile, dall altro ha portato alla perdita di consapevolezza sull influenza di alcuni passi del processo di formazione dell immagine finale. Gli aspetti tecnici operativi e le prestazioni tecnologiche delle apparecchiature hanno ancora un ruolo importante, ma sempre più spesso le opzioni disponibili e le scelte effettuate relativamente al processing sono determinanti per il risultato ottenibile. Impadronirsi di conoscenze in tale ambito permette all operatore non solo di essere consapevole del significato e dell importanza del processing nella formazione di un immagine radiografica adeguata, ma di essere quotidianamente parte attiva nel processo di ottimizzazione dell esame. Un aspetto importante illustrato nella trattazione e affrontato anche nei numerosi esercizi proposti è quello della quantificazione dei parametri caratteristici e di qualità dell immagine, che sottolinea l importanza di sfruttare la possibilità offerta dalla tecnolo- vii

7 viii Presentazione gia digitale di utilizzare un approccio quantitativo sia nella valutazione delle prestazioni che nell analisi di particolari informazioni diagnostiche. Questo libro rappresenta, pertanto, un valido testo di formazione per gli operatori del settore, che, grazie all ausilio di test presenti alla fine di ciascun capitolo, potranno facilmente valutare l effettiva preparazione raggiunta nei diversi ambiti affrontati. Tutte le figure professionali coinvolte sia nelle fasi di acquisizione di una nuova tecnologia che nella routine operativa dovrebbero prestare, quindi, molta attenzione a questa realtà, nell ottica dell ottimizzazione delle risorse e delle prestazioni mediche. In particolare, il testo rappresenta un importante riferimento per i Fisici medici, dallo specializzando al dirigente: il diretto coinvolgimento nelle fasi di accettazione e controllo delle apparecchiature e, più in generale, nei programmi di assicurazione di qualità del Fisico medico non può, infatti, prescindere dalla conoscenza corretta e completa della tecnologia con cui si confronta. Buona lettura! Maggio 2013 Luisa Begnozzi Presidente AIFM presidente@aifm.it

8 Presentazione Tra le molte considerazioni che sarebbe possibile fare al termine della lettura di questo testo, quella che mi sovviene più spontanea è, apparentemente, la più distante dai temi trattati nel volume. Essa non attiene ai contenuti, bensì al metodo col quale gli autori li hanno raccolti, organizzati e presentati: una cooperazione multidisciplinare in grado di elaborare un testo didatticamente efficace. L ordine di trattazione degli argomenti, la loro esaustività e la chiarezza della loro esposizione sono testimonianze della competenza degli autori, sono le componenti tecniche che rendono il testo di qualità. Ma ciò che, a mio avviso, lo rende particolarmente interessante è la componente relazionale; il valore aggiunto di questo volume è rappresentato dall interazione coordinata e finalizzata tra soggetti portatori di competenze diverse, spesso complementari. Più che i contenuti, dunque, le persone che vi hanno lavorato e il modo in cui l hanno fatto. Forse influenzato dalla mia professione, posso affermare che la differenza tra questo e altri testi sullo stesso tema sia simile a quella esistente tra un indagine di radiologia convenzionale e una tomografia computerizzata. La prima fornisce una rappresentazione a due dimensioni del segmento corporeo indagato, sfruttando i contributi provenienti da un solo punta di vista alla volta; la seconda consente una rappresentazione tridimensionale, poiché riunisce informazioni acquisite da punti di vista diversi. Il testo è la sintesi dei contributi provenienti da informatici, fisici medici e tecnici di radiologia: questo, oltre a renderlo più chiaro e completo, offre al lettore la possibilità di entrare dentro l argomento, andando oltre la sola conoscenza di superficie alla quale è limitato chi può solo osservarlo da fuori. Tale visione interna consente al lettore di acquisire non solo le nozioni necessarie a utilizzare in modo ordinario le tecnologie digitali di diagnostica per immagini, ma anche quelle utili a dialogare con esse, al fine di sfruttarne appieno le potenzialità, per migliorare l accuratezza delle immagini da esse prodotte, migliorare l efficienza delle attività e, se possibile, contenere la dose alla persona. Un dialogo costruttivo tra la tecnologia e l operatore che la utilizza è possibile solo se il secondo conosce il linguaggio e le modalità di pensiero e di azione della prima. Questo testo garantisce entrambe, rendendo il lettore adeguatamente competente e consapevole. ix

9 x Presentazione Infine, ritengo doveroso riconoscere una particolare rilevanza all uso esperto che gli autori fanno dell iconografia, agevolando il lettore nella comprensione di ciò che sta prima, dentro e dietro la formazione, la post-elaborazione e l archiviazione delle immagini digitali. Maggio 2013 Alessandro Beux Presidente FNCPTSRM presidenza@tsrm.org

10 Indice 1 Rappresentazione digitale di segnali Caratteristiche dei segnali e dei sistemi Segnali continui e discreti Il trattamento dell informazione digitale Il sistema di acquisizione Il sistema di elaborazione Il sistema di distribuzione Grandezze analogiche e digitali Strumenti di misura analogici e digitali La risoluzione di una misura Il trasduttore Il sistema campionatore Il teorema di Fourier Il teorema del campionamento Il fenomeno aliasing Il sistema quantizzatore Il convertitore A/D: campionamento e quantizzazione L immagine come distribuzione di energia Cenni sull architettura degli elaboratori L informazione binaria Letture consigliate Esercizi Luce, immagini e visione Introduzione La luce Il principio di indeterminazione Il raggruppamento percettivo Il ricevitore occhio Proprietà della visione Il colore Considerazioni finali Letture consigliate Esercizi xi

11 xii Indice 3 Introduzione all immagine digitale Discretizzazione spaziale e quantizzazione L istogramma dei livelli di grigio Le periferiche di visualizzazione e stampa Il cambio delle dimensioni La valutazione della qualità delle immagini digitali Risoluzione spaziale e funzione di trasferimento della modulazione Rumore: quantificazione e analisi spettrale Rapporto contrasto-rumore ed efficienza quantica Considerazioni finali Letture consigliate Esercizi Elaborazione di immagini Tecniche di elaborazione Distanze fra pixel Elaborazioni puntuali Look-Up Table Tecnica degli pseudo colori Le operazioni algebriche tra immagini Gli operatori logici Elaborazioni locali I filtri convolutivi Rilevazione ed evidenziazione dei bordi La riduzione del rumore e lo smoothing Il filtro mediano L unsharp masking Gli operatori morfologici Elaborazioni globali L istogramma e il miglioramento del contrasto Elaborazioni nel dominio delle frequenze spaziali La frequenza spaziale La trasformata di Fourier Proprietà dell immagine nel dominio trasformato Le tecniche di filtraggio nel dominio trasformato Applicazioni dei filtri in frequenza alle immagini Filtro ideale Filtro Butterworth Filtro esponenziale Filtro trapezoidale Ripristino di qualità dell immagine I software per l elaborazione Considerazioni finali Letture consigliate Esercizi Elaborazioni intrinseche alle metodiche Introduzione

12 Indice xiii 5.2 Radiologia digitale proiettiva Mammografia Angioradiologia Tomografia computerizzata Letture consigliate Esercizi La memorizzazione delle immagini digitali I formati di file per la memorizzazione La compressione delle immagini digitali La valutazione della qualità della compressione: il PSNR Tecniche di compressione Packing Bits L algoritmo RLE La perdita di informazione sul colore L algoritmo di codifica di Huffman La compressione nello spazio trasformato Panoramica dei formati di file per immagini digitali Requisiti principali dei formati di immagini medicali Lo standard DICOM/ Lo standard di formato JPEG Lo standard JPEG Lo standard di formato PNG La trasmissione delle immagini digitali La sicurezza delle immagini: le tecniche di watermarking Considerazioni finali Sitografia Esercizi Soluzioni esercizi Indice analitico