Fundamentos de imagen digital aplicados a radiología

Fundamentos de imagen digital aplicados a radiología
Poster no.:
S-1330
Congreso:
SERAM 2012
Tipo del póster: Presentación Electrónica Educativa
Autores:
C. Palacios Miras, E. Alonso Gamarra, H. Rodriguez Requena, D.
Mollinedo, C. Rubio Hervás; Madrid/ES
Palabras clave:
Aplicaciones informáticas, Educación, Física de la radiología,
Manipulación de imagen / Reconstrucción, PACS, Radiografía
digital, Aplicaciones informáticas-General, Aplicaciones
informáticas-Detección, diagnóstico, Aspectos técnicos, Artefactos
DOI:
10.1594/seram2012/S-1330
Cualquier información contenida en este archivo PDF se genera automáticamente
a partir del material digital presentado a EPOS por parte de terceros en forma de
presentaciones científicas. Referencias a nombres, marcas, productos o servicios de
terceros o enlaces de hipertexto a sitios de terceros o información se proveen solo
como una conveniencia a usted y no constituye o implica respaldo por parte de SERAM,
patrocinio o recomendación del tercero, la información, el producto o servicio. SERAM no
se hace responsable por el contenido de estas páginas y no hace ninguna representación
con respecto al contenido o exactitud del material en este archivo. De acuerdo con las
regulaciones de derechos de autor, cualquier uso no autorizado del material o partes
del mismo, así como la reproducción o la distribución múltiple con cualquier método
de reproducción/publicación tradicional o electrónico es estrictamente prohibido. Usted
acepta defender, indemnizar y mantener indemne SERAM de y contra cualquier y todo
reclamo, daños, costos y gastos, incluyendo honorarios de abogados, que surja de o
es relacionada con su uso de estas páginas. Tenga en cuenta: Los enlaces a películas,
presentaciones ppt y cualquier otros archivos multimedia no están disponibles en la
versión en PDF de las presentaciones.
Página 1 de 13
Objetivo docente
Gran parte del trabajo del radiólogo está basado en el análisis de imágenes. La
mayoría de las imanes que manejamos son digitales, siendo por lo tanto fundamental
la comprensión de conceptos como: bit, píxel, vóxel, resolución, contraste, brillo, rango
dinámico, ruido, etc. para poder sacar el máximo provecho de las mismas.
También analizaremos la influencia de las condiciones de luz del puesto de trabajo, la
capacidad de percepción del ojo humano, así como las características del monitor usado
sobre el resultado en la visualización de imágenes.
Revisión del tema
Con la instauración de las nuevas tecnologías la radiología actual pasa necesariamente
por el manejo de imágenes digitales para el desempeño de nuestro trabajo, por lo tanto
parece esencial conocer los conceptos básico que definen a este tipo de imágenes
para poder comprender de qué depende su calidad y cómo manipularlas de una forma
correcta.
¿Qué es una imagen digital?
Una imagen digital es una imagen en dos dimensiones formada por píxeles.
Página 2 de 13
Fig. 1
Referencias: C. Palacios Miras; Hospital Universitario la Paz, Madrid, SPAIN
Píxel es un acrónimo del inglés Picture Element, y en realidad representa la unidad más
pequeña de una imagen, es decir cada uno de los cuadraditos que la conforman.
Fig. 2
Referencias: C. Palacios Miras; Hospital Universitario la Paz, Madrid, SPAIN
Página 3 de 13
Cada imagen digital tiene un número determinado de píxeles, que se puede expresar
como el número de píxeles de ancho por el número de píxeles de alto de la imagen
(512x512) o como el resultado de ese producto (262.144). Es lo que conocemos como
matriz en el TC o en RM. Una característica fundamental de los píxeles es que son
adimensionales, no tienen una longitud ni una altura determinada.
Fig. 3
Referencias: C. Palacios Miras; Hospital Universitario la Paz, Madrid, SPAIN
¿Qué es la resolución?
La resolución es la capacidad de distinguir objetos que se encuentran próximos. Tiene
3 vertientes:
1.
2.
3.
Proximidad espacial: Nos podemos referir a la resolución espacial de las
diferentes técnicas usadas.
Proximidad temporal: Nos podemos referir a la resolución temporal de las
diferentes técnicas usadas.
"Concentración de píxeles": Refiriéndose a la imagen digital producida.
1º Resolución espacial:
Página 4 de 13
La capacidad de diferenciar estructuras próximas viene determinada por la borrosidad.
Según aumenta la borrosidad o disminuye la distancia que separa dos estrcuturas
físicamente diferentes, éstas empiezan a aparecer juntas. Una forma de medir la
resolución es por pares de líneas separadas por diferentes distancias (es una forma
de representar la frecuencia espacial). Es decir medimos cual es la distancia mínima
entre las líneas que nos permite identificarlas individualmente (con menor separación se
"funden" unas con otras).
Fig. 4
Referencias: C. Palacios Miras; Hospital Universitario la Paz, Madrid, SPAIN
Cada técnica radiológica tiene una resolución espacial determinada, en función de los
principios físicos que la conforman. La técnica radiológica con mayor resolución espacial
es la radiografía, seguida por ecografía, TC y RM.
2º Resolución temporal:
Nos permite separar eventos que tienen lugar de forma próxima en el tiempo.
3º Resolución de una imagen digital:
Dado que los píxeles son adimensionales, una imagen digital puede ocupar cualquier
área manteniendo constante su número de píxeles. En el ejemplo siguiente ambas
imágenes tienen igual número de píxeles
Página 5 de 13
Fig. 5
Referencias: C. Palacios Miras; Hospital Universitario la Paz, Madrid, SPAIN
La imagen de la derecha parece sin embargo más "nítida". Por lo tanto la resolución de
una imagen digital no depende sólo del número de píxeles de la misma si no también
de en cuanto espacio se representan los mismos. Es decir la resolución de una imagen
digital viene determinada por la concentración de píxeles, o lo que es los mismo, cuantos
píxeles tenemos por unidad de longitud. La medida que se suele utilizar para expresar
la resolución de una imagen digital es "ppp" (píxeles por pulgada) o "dpi" (dots per inch o
puntos por pulgada), que nos indican cuantos píxeles hay en cada pulgada de la imagen.
En el ejemplo que vemos a continuación la imagen de la izquierda tiene 1260 píxeles
y la de la derecha 10.000.000, por lo cual esta última tiene mayor resolución, ya que
ambas ocupan un espacio similar.
Página 6 de 13
Fig. 6
Referencias: C. Palacios Miras; Hospital Universitario la Paz, Madrid, SPAIN
La técnicas radiológicas con gran resolución espacial (radiografía o mamografía por
ejemplo) tendrán que generar gran cantidad de píxeles para que estos puedan demostrar
diferencias sutiles entre elementos muy pequeños. Por otro lado cuantos más píxeles
representen una estructura determinada, con más resolución estaremos viendo la
misma: si en una matriz de 512x512 píxeles incluimos todo el cráneo del paciente (más
el aire que lo rodea, ya que el cráneo no es cuadrado como nuestra matriz), el peñasco
estará representado por una pequeña fracción de los píxeles de esta matriz y por lo
tanto tendrá poca resolución. Si por otro lado realizamos una reconstrucción limitada al
peñasco, éste estará formado por 512x512 píxeles, presentándose entonces con más
resolución. Es por esto que es tan necesario ajustar el FOV (field of view o campo de
visión) al tamaño de la estructura que estemos estudiando.
Página 7 de 13
Fig. 7
Referencias: C. Palacios Miras; Hospital Universitario la Paz, Madrid, SPAIN
La resolución de las pantallas (monitores, televisiones…) viene determinado por el
número de píxeles que tienen y por su tamaño físico. Como siempre el número de píxeles
se indica como producto o como resultado del mismo (1, 5, 10 megapíxeles etc…).
El tamaño de los monitores suele venir especificado por la longitud de su diagonal en
pulgadas, si bien en las epecificaciones también se suele expresar su alto y su ancho
en médidas del sistema métrico internacional. Conociendo estos dos parámetros es fácil
conocer la resolución real del monitor. Además, conocer estos datos es útil para saber
qué monitor es necesario para ver qué tipo de imágenes. No es útil un monitor de 1 Mpx
(megapíxel) para estudiar una imagen de 20 Mpx (como puede ser una mamografía), ya
que estaríamos desperdiciando gran parte de la información aportada. Por otro lado para
ver imágenes de TC o RM que en general suelen tener como mucho 1 Mpx, bastaría
con monitores de este número de píxeles. En el campo de la fotografía digital, no tiene
mucho sentido realizar fotos de 20 Mpx, si tan solo las vamos a ver en el monitor de
casa, que suelen tener menos de 1 Mpx. Esto solo tendría sentido si fueramos a recortar
una parte de la foto, o para sacar copias impresas a gran tamaño (ya que la impresión
fotográfica usa una gran resolución)
¿Qué es un Bit?
Bit es el acrónimo de "binary digit" (dígito binario). Un bit es un dígito del sistema de
numeración binario. Mientras que en el sistema de numeración decimal se usan diez
Página 8 de 13
dígitos, en el binario se usan sólo dos dígitos, el 0 y el 1. Un bit o dígito binario puede
representar uno de esos dos valores, 0 ó 1, apagado o encendido, sí o no, blanco o
negro…
Los píxeles pueden tomar diferentes colores que vienen determinado por su
profundidad de bits. Si una imagen (con sus píxeles que la forman) tiene
una profundidad de 1 Bit, tan solo podrá mostrar dos tonos: blanco y negro
(0\1). Si su profundidad fuera de 2 Bits podría mostrar cuatro tonos: blanco,
gris claro, gris oscuro y negro (00\01\10\11). Con una profundidad de 4 Bits
(0000\0001\0010\0011\0100\0101\0110\1000\1001\1100\1101\1110\0110\0111\1011\1111)
podríamos tener 16 tonalidades. 8 Bits es equivalente a 1 Byte, y nos podría mostrar
256 tonalidades, que es, de acuerdo con la ACR la profundidad de bits mínima que debe
tener monitor diagnóstico.
Como se puede deducir, basta con exponer el número 2 a la potencia del número de bits
para saber la cantidad de tonos que podría mostrar esa imagen:
•
1 Bit: 2 = 2 tonalidades
•
2 Bit: 2 = 4 tonalidades
•
4 Bit: 2 =16 tonalidades
•
8 Bit: 2 = 256 tonalidades
•
16 Bit: 2
1
2
4
8
16
= 65.536 tonalidades
Página 9 de 13
Fig. 8
Referencias: C. Palacios Miras; Hospital Universitario la Paz, Madrid, SPAIN
¿Qué es el contraste?
El contraste se define como la diferencia relativa en intensidad lumínica entre un punto
de una imagen y sus alrededores. El contraste es la diferencia entre la luminancia de los
diferentes objetos de una imagen que los hace distinguibles a los unos de los otros. Una
imagen con mucho contraste muestra una variación más acusada en su escala de grises.
Un ejemplo simple es el contraste entre un objeto de brillo variable sobre un fondo de un
brillo constante. Si ambas superficies tienen el mismo brillo, el contraste será nulo, y el
objeto tanto física como perceptiblemente será indistinguible del fondo. Según se varía el
Página 10 de 13
brillo del objeto será perceptiblemente distinguible del fondo una vez alcanzado el umbral
de contraste, que se sitúa alrededor del 0,3% de diferencia en brillo. A esto es a lo que
llamamos sensibilidad de contraste: a la mínima diferencia de brillo necesaria entre dos
objetos para que estos sean distinguibles. Podemos cambiar la ventana para hacer que
este contraste aumente,es decir hacer que la diferencia de brillo entre diferentes partes
de la imagen aumente para hacer posible o facilitar la deteccción de determinada lesión
o patología. Por ejemplo, para la detección del ictus agudo una ventana estrecha (muy
contrastada) aumenta la sensibilidad de detección del mismo.
Fig. 9
Referencias: C. Palacios Miras; Hospital Universitario la Paz, Madrid, SPAIN
El contraste máximo de una imagen es a lo que llamamos rango dinámico. Este concepto
también es aplicable a los monitores: es el cociente entre el brillo del blanco máximo que
puede mostrar y el del negro máximo. En el caso de los monitores de uso diagnóstico
suele ser mayor de 850:1
¿Qué es el ruido?
Página 11 de 13
El ruido es una variación aleatoria en el brillo o escala de grises de la imagen, que
produce una apariencia moteada de la misma de forma artificial (no representa la
realidad). Es lo que se conoce en imagen analógica como grano. Si bien estos dos
conceptos tienen orígenes completamente diferentes, su efecto es el mismo: degradan
la imagen, de forma que disminuye la información útil. El término señal-ruido nos indica
la cantidad de información útil (señal) que obtenemos con respecto a la de carácter
artefactual (ruido).
¿Qué factores influyen en la visualización de una imagen digital?
Cuando nos enfrentamos con una imagen digital la correcta identificación de los
diferentes objetos que la componen va a depender de:
Factores que dependen del propio objeto que estemos viendo:
•
•
•
Tamaño: Parece claro que cuanto mayor sea un objeto, lesión o estructura
más fácil sera detectarlo. Para ello podemos adecuar el FOV al tamaño
de la estructura que exploremos, utilizar monitores de mayor tamaño
(siempre que esto no vaya en perjuicio de la resolución del mismo) o utilizar
herramientas de ampliación electrónica (la "lupa" del visualizador DICOM
que usemos)
Contraste: Ya hemos explicado anteriormente que se requiere una
determinada cantidad de contraste entre un objeto y su fondo para que el
primero sea individualizado como tal (sensibilidad de contraste)
Nitidez de sus bordes: Un objeto con bordes bien definidos es más
fácilmente detectable que si son borrosos o mal definidos.
Factores del fondo del objeto:
•
•
Ruido: Parece claro que debido a lo explicado anteriormente cuanto mayor
sea el ruido de fondo peor será la detectabilidad de los diferentes objetos de
la imagen
Brillo del fondo: El brillo se refiere a la intensidad luminosa emitida por la
2
pantalla. Se mide en candelas por m o nits. Una mayor luminancia de la
pantalla se traduce en una mayor capacidad de detectar objetos. Según
criterios de la ACR la luminancia de un monítor deber ser al menos de 171
2
cd/m (excepto para mamografía, en la que serán necesarias 250-450 cd/
2
m )
Factores físicos del lugar donde nos encontramos:
Página 12 de 13
•
•
Distancia a la pantalla: Cuanto menor es la distancia a la pantalla los
diferentes objetos producen un mayor ángulo (mayor tamaño) y son más
fáciles de ver. Sin embargo el enfoque y la sensibilidad de contraste de
nuestra vista no es máxima a distancias muy cortas, siendo la distancia
óptima de visionado 60 cm aproximadamente .
Resplandor o reflejos: Está producido por zonas muy brillantes en nuestra
pantalla o por otras fuentes de luz dentro de nuestro campo de visión.
Parte de esta luz se dispersa sobre el resto de la imagen disminuyendo la
sensibilidad de contraste. Por lo tanto es importante evitar reflejos en los
monitores, así como la existencia de zonas muy blancas (por ejemplo un
editor de texto) en nuestro campo de visión. En caso de que dispongamos
de un monitor para escribir el informe y otros de visionado de imágenes,
puede ser útil disminuir el brillo del monitor donde escribimos el informe.
Conclusiones
La radiología actual se basa en el manejo de imágenes digitales. Éstas son imágenes en
dos dimensiones formadas por píxeles. Su resolución de viene dada por la cantidad de
píxeles que tienen por unidad de longitud, y se expresa como ppp (píxeles por pulgada).
El contraste nos indica la diferencia de intensidad lumínica entre dos partes de una
imagen. Es necesaria que exista una diferencia mínima en el brillo de dos objetos para
que sean percibidos como diferentes (sensibilidad de contraste)
La profundidad de bits de una imagen nos indica cuantos tonos de gris puede mostrar
esa imagen. Se necesitan al menos 8 bits (1 byte) de profundidad de color en monitores
de uso diagnóstico.
El ruido son alteraciones aleatorias en el brillo de los píxeles, que no representan
elementos reales y produce una degradación de la imagen, similar al grano de las
películas "antiguas".
Para la visualización de imágenes es necesario disponer de monitores de un tamaño
y resolución adecuadas, con una intensidad lumínica alta situados en lugares donde la
incidencia de reflejos sea mínima.
Página 13 de 13