Imaging. Informatica. Prof. Pierpaolo Vittorini

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1 Università degli Studi dell Aquila Dip.to di Medicina Interna, Sanità Pubblica, Scienze della Vita e dell Ambiente

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3 Codifica di segnali I segnali provenienti da un apparato di misura sono segnali analogici e sono tipici degli apparati elettrici/elettronici Segnale analogico Un segnale analogico (perché mantiene una forma analoga al messaggio che lo ha originato) è una funzione continua nel tempo, che si rappresenta sotto forma di onde che variano al variare della sorgente dell informazione. Sono esempi di segnali analogici biomedicali monodimensionali ECG, EEG (Elettroencefalogramma), Flussimetria Doppler, etc.; bidimensionali RX, TAC, NMR, etc.

4 Codifica di segnali (2) L informatica tratta invece dati discreti, in quanto l informazione è rappresentata tramite l alfabeto binario Grandezza discreta Una grandezza discreta può assumere solo un numero limitato di valori e la sua variazione è ottenuta come successione di un numero finito di incrementi (o decrementi) di ampiezza finita e, tipicamente, di uguale intensità Per poter trattare tramite calcolatori segnali analogici, è necessario convertire tali segnali in formato digitale

5 Convertitori analogico-digitali Segnale analogico Grandezza fisica Sensore Convertitore A/D } Grandezza discreta Clock Data una grandezza fisica da misurare (e.g. il battito cardiaco), un sensore rileva tale grandezza e la trasforma in un segnale analogico Tale segnale analogico riflette sotto forma di valori elettrici (tensione/corrente) l evoluzione temporale della grandezza fisica Il convertitore A/D prende in ingresso tale segnale e, per ogni istante dettato dal ciclo di clock, converte il valore analogico nel corrispondente digitale

6 Convertitori analogico-digitali (2) Un parametro estremamente importante dei convertitori è il numero di bit che usa per la conversione Ricordando la codifica binaria, dato n = numero di bit per un numero intero senza segno, posso rappresentare valori che vanno da 0 fino a 2 n 1 per un numero intero con segno, posso rappresentare valori che vanno da 2 n fino a 2 n 1 1

7 Campionamento e quantizzazione L operazione di conversione di un segnale analogico in digitale coinvolge quindi: 1 discretizzazione temporale sampling o campionamento dovuto alla natura sincrona dei convertitori A/D (dettato dal clock) 2 discretizzazione sui valori di ampiezza quantizzazione dovuto alla natura finita della dimensione dei tipi di dato trattati dai calcolatori elettronici La forma d onda in ingesso viene quindi descritta mediante un numero discreto di valori della sua ampiezza (quantizzazione) prelevati ad istanti prefissati (campionamento)

8 Campionamento e quantizzazione (2) Discretizzazione di segnali analogici monodimensionali

9 Errore di campionamento Se si preleva il segnale ad intervalli di tempo, si perde la porzione di segnale interna al quanto temporale errore di campionamento Il teorema di Shannon ci permette di affermare che un segnale a banda limitata f m può essere ricostruito a partire dai suoi campioni, se t 1 2 f m

10 Errore di quantizzazione L errore di quantizzazione è dovuto alla risoluzione finita dovuta alla conversione Se ho a disposizione n bit per la conversione del segnale, potrò rappresentare fino a 2 n valori differenti Se il segnale ha escursione massima H max e minima H min, non potrò distinguere differenze in ampiezza inferiori a (dimensione del quanto) q = H max H min 2 n H max = 5.5 H min = 2.5 n = 3 q = Hmax H min 2 n = 5.5 ( 2.5) 2 3 = 8 8 = 1

11 Codifica di immagini Le immagini sono segnali analogici bidimensionali Esistono due strade per rendere digitale una immagine analogica 1 scomporre l immagine in una griglia di tanti elementi (punti) che sono l unità minima di memorizzazione: immagini bitmap 2 rappresentare l immagine tramite strutture elementari di natura più complessa, quali linee, circonferenze, archi, etc.: immagini raster

12 Immagini bitmap L immagine è scomposta in un reticolo di punti, detti pixel (picture element), la cui quantità fornisce la risoluzione campionamento bidimensionale Per ogni punto ne viene memorizzato il colore quantizzazione La qualità dell immagine dipende sia dalla risoluzione che dai toni di colore permessi dalla codifica Formati tipici di risoluzione di immagini sullo schermo sono 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024 I colori ammessi vanno da 2 (B/W) a 16,8 milioni di colori (true-color o RGB)

13 Tonalità di colore Quantizzazione ad 1 bit immagini monocromatiche (0=nero, 1=bianco) Quantizzazione ad 8 bit immagini 1 Toni di grigio colori

14 Tonalità di colore (2) Quantizzazione a 24 bit immagini true color (o RGB) Tale modello si basa sul fatto fisico secondo cui ogni colore è scomponibile in tre componenti, e.g. RGB rosso, verde, blu HSB tonalità, saturazione, luminosità I 24 bit sono scomposti in 8 bit per il rosso, 8 per il verde, 8 blu

15 Dimensioni delle immagini bitmap Il numero di byte necessari per contenere un immagine è notevole; la seguente tabella ne dà una idea Tipo di immagine Definizione Colori Occupazione Televisiva 720 x (8 bit) 440 KByte Monitor VGA 640 x (4 bit) 150 KByte Monitor SVGA 1024 x (16 bit) 1,5 MByte Monitor XVGA 1280 x ,8 milioni (24 bit) 3,8 MByte Fotografia x ,8 milioni (24 bit) 430 MByte

16 Compressione di immagini Visto la grande richiesta di byte delle immagini, esse vengono tipicamente compresse (ridotte di dimensioni) tramite meccanismi A perdita l immagine non compressa non può più essere recuperata dalla sua versione compressa Senza perdita l immagine non compressa può essere ripristinata a partire dalla versione compressa Tipici formati bitmap sono il JPG, GIF, PNG o TIFF

17 Limiti delle immagini bitmap La risoluzione dell immagine limita la possibilità di zoommare verso una certa area mantenendo chiarezza

18 Esempi di immagini diagnostiche Le immagini generate da un sistema di radiografia digitale vanno da a pixel, con una profondità che può andare dai 14 ai 12 bit/pixel, con una dimensione del pixel attorno ai µm; Le immagini di risonanza magnetica hanno normalmente dimensioni che variano da pixel (immagini cardiache) a pixel (immagini cerebrali ad alta risoluzione), con una profondità di 16 bit/pixel, con una dimensione del pixel attorno ad 1mm; Tuttavia, l importanza di quest ultimo esame sta nel fatto di poter discriminare, per esempio, tra un tessuto del fegato ed uno della milza (che rispetto ai raggi X presentano la stessa trasparenza), oppure i tessuti sani dalle lesioni.

19 Immagini raster Quando le immagini da memorizzare hanno caratteristiche geometriche ben definite (e.g. disegno tecnico) si adotta una tecnica più efficiente per codificare le immagini Il disegno viene scomposto in elementi base come segmenti, archi di circonferenza, etc La memorizzazione dell intera immagine avviene tramite la codifica di ogni singola parte: per definire un segmento basteranno le coordinate dei due estremi, per una circonferenza il raggio e coordinate del centro, etc Questo tipo di codifica viene detto vettoriale e le sue principali caratteristiche sono: indipendenza dalla risoluzione a cui dovranno essere visualizzate le immagini possibilità di manipolare facilmente l immagine non tutte le immagini possono essere scomposte efficacemente in parti elementari

20 (Digital and Communications in Medicine) è uno standard sviluppato nel 1993 per la comunicazione e gestione di immagini diagnostiche digitali e le informazioni ad esse correlate; Originariamente, le varie macchine di diagnostica erano apparati a sé stanti; L introduzione di questo standard, invece, ha permesso di interconnetterli in maniera fortemente integrata: è ormai prassi trovare postazioni di visualizzazione e di refertazione che sono in grado di condividere immagini e dati correlati di un medesimo paziente. standardizza sia i dati che i servizi disponibili.

21 Formato dei dati include in un unico file sia l immagine medica (o anche più immagini), sia i dati descriventi il procedimento che ha portato alla formazione dell immagine stessa; Le informazioni che Dicom registra all interno del file d immagine, in aggiunta a quelle relative ai pixel, sono sistemate in gruppi: Paziente: informazioni anagrafiche della persona sottoposta a indagine medica; Studio: le caratteristiche dell indagine diagnostica che il paziente ha effettuato; Serie: collezione di immagini proveniente da una singola modalità diagnostica ed i relativi parametri di acquisizione; Immagine: gli attributi dei pixel che compongono l immagine, quali: dimensione dell immagine, profondità del pixel, rappresentazione del pixel e interpretazione fotometrica.

22 Servizi definisce anche un protocollo di comunicazione fra i computer che sono in grado di fornire un servizio (provider) quelli che lo richiedono (user); I principali servizi sono: Store inviare immagini ad un sistema di archiviazione dedicato per le immagini diagnostiche (detto PACS); Query/Retrieve elencare le immagini archiviate e.g., in un sistema PACS, a partire da parametri di interrogazione, quali il nome del paziente, tipo di immagine; Printing inviare le immagini in formato direttamente ad una stampante/monitor.

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