IMAGENES MEDICAS DIGITALES

RODOLFO GROSSO

rgrosso@fing.edu.uy

1. Introduccion

Para estudiar las imagenes medicas digitales y como son representadas segun lanorma DICOM es necesario saber que es una imagen digital y cuales son sus princi-pales caracteristicas. Estas notas contienen una breve introduccion a las imagenesdigitales y sus principales parametros enfocado a las imagenes medicas. Tambiense presenta el tema de la compresion y la estructura de una archivo de imagenen general Para presentar esto comenzamos con las caracterısticas del elemento devisualizacion de las imagenes: el monitor.

2. Monitores

Los monitores son dispositivos de visualizacion. En el tiempo los primeros moni-tores fueron los llamados de tubo (CRT) que utilizan un Tubo de Rayos Catodicos,posteriormente los de plasma y actualmente LCD (Liquid Crystal Display) y LED(Light Emitting Diode), Dentro de estas dos ultimas tecnologıas hay a su vez dife-rentes variaciones, lo que no veremos en el curso.

Pixel. Un pıxel (picture element, elemento de imagen), es el elemento basico queforma parte de una imagen digital. En una imagen color un pixel se encuentracompuesto por tres elementos llamados subpixels, que por si no tienen un significadoespecıfico mas alla de que juntos forman un pixel.

En un monitor, el color de un pıxel se obtiene combinando tres colores primarios(rojo, verde y azul) con diferentes intensidades en cada subpixel. En la figura 1 semuestra un monitor formado por sus pixels. La geometrıa de los subpixels dependede la tecnologıa (CRT, LCD, etc) y de la aplicacion. Los monitores para TV oPC tienen estructuras como el dela figura y los que se usan para imagenes enmovimiento con estructuras en diagonal.

Estas notas estan dirigidas a los estudiantes de carreras de la facultad de Medicina.

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Figura 1. Pantalla de monitor formada por un conjunto de pixels. Extraıda de [8].

Resolucion de una pantalla. La resolucion de una pantalla es la cantidad depıxeles medida en cantidad de columnas por cantidad de filas. Vinculado a ello setiene:

− dot pitch (tamano del punto) que es la medida de un pixel en una pantalla,va de 0.15 a 0.30 mm en general.

− ppi pixels per inch (pixels por pulgada) que es la cantidad de pixels porpulgada en una pantalla

Ambos valores se encuentran vinculados a la resolucion.

Medida de una pantalla. Las pantallas de los monitores se miden en pulgadaspor su diagonal, como se muestra en la figura 2. La mayorıa de los monitores deuso diagnostico son de 21 pulgadas.

Figura 2. Medida de una pantalla de un monitor. Extraıda de [9]

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Relacion de aspecto. Se llama relacion de aspecto a la proporcion entre el anchoy el alto de la imagen. Se calcula dividiendo el ancho por el alto de la imagen, y seexpresa normalmente como X:Y. Relaciones usuales son: 4:3 television comun, 16:9television de alta definicion, 1.85:1 y 2.39:1 cine, 3:2 fotografıa.

Figura 3. Representaciones de algunas relaciones de aspecto. Extraıda de [10]

Modos de uso. Los dos modos de uso de un monitor pueden ser landscape yportrait.

(a) Landscape (b) Portrait

Figura 4. Modos de uso de monitores

3. Imagenes digitales

Una imagen digital en escala de grises(1) queda determinada por un conjunto devalores que corresponden a la intensidad de brillo de cada uno de sus pixels, que serepresenta como un cuadro o matriz de valores.

1nos referiremos solamente a las imagenes llamadas de mapa de bits

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Figura 5. Imagen digital como un cuadro de pixels de resolucion MxN. Extraıda de [1]

Figura 6. Izquierda: imagen de Lenna de 128x128 pixels dividida en bloquesde 8x8 pixels. Derecha: Valores de los pixels de uno de los bloques. Extraıda de [1]

De la misma forma, una imagen digital color queda determinada por tres con-juntos de valores que corresponden a la intensidad de brillo de cada subpixel (o portres conjuntos de valores matematicamente relacionados con los anteriores, comoveremos luego).

Dimension de una imagen. La resolucion en tamano de una imagen es la can-tidad de columnas por la cantidad de filas de pixels. Por ejemplo 512x512 es unaresolucion usual en una imagen de tomografıa computada (2).

2Un megapıxel (Mpx) equivale a 1 millon de pıxeles (a diferencia de otras medidas usadas enla computacion en donde se suele utilizar la base de 1024 para los prefijos, en lugar de 1000).Usualmente se utiliza esta unidad para expresar la resolucion de imagen de camaras digitales; por

ejemplo, una camara que puede tomar fotografıas con una resolucion de 2048x1536 pıxeles se diceque tiene 3,1 megapıxeles

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Profundidad. La profundidad o resolucion en escala de grises corresponde a lacantidad de valores que puede tomar el brillo en cada pixel. Se expresa segun lacantidad de bits necesarios para representar esa cantidad de valores, en el caso de256 valores es suficiente 8 bits para representarlos, 28 = 256 por lo que decimos quela profundidad es de 8 bits. En la figura 7 se muestran diferentes niveles de grisesy la cantidad de bits para representarlos.

Figura 7. Diferentes profundidades de niveles de gris y cantidad de bits pararepresentarlos. Extraıda de [1]

Utilizar una mayor o menor cantidad de niveles de grises se ve reflejado en lacalidad de la imagen. En la figura 8 se muestra una misma imagen con diferen-tes valores de profundidad y su correspondiente degradacion cunado los valores sereducen.

Figura 8. Imagen de radiografıa con diferentes profundidades. Se observa quecon valores pequenos aparecen zonas uniformes del mismo nivel de gris. Extraıdade [1]

No deben confundirse los efectos de una imagen por bajos valores de profundidadcon el efecto de baja resolucion.

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Tabla con distintas imagenes medicas y sus valores de resolucion y pro-fundidad. La tabla 9 presenta valores de resolucion y profundidad tıpicos segundiferentes modalidades.

Figura 9. Valores de resolucion y profundidad tıpicos de diferentes modalida-des de estudio

Algo mas sobre imagen color. Existen diferentes formas de introducir el color,segun los modelos que se utilicen. Un modelo de color es un modelo matematicoque permite representar los colores en forma numerica, utilizando tıpicamente tresvalores o componentes cromaticos El modelo mas simple de entender es el RGBque permite crear un color compuesto por los tres colores primarios (rojo, verdey azul) que se encuentran establecidos,segun el sistema de mezcla aditiva. De estaforma, en funcion de la cantidad de cada uno de ellos que se use en cada pıxel serael resultado del color final del mismo. En una imagen color un pixel es la tripletade valores. En las imagenes llamadas de color verdadero, la paleta de colores usantres bytes (24 bits), uno para cada primario.

El modelo RGB se puede expresar directamente a partir de los tres primariosRGB o de otras formas llamada YUV. Tambien existen otros modelos de color comoel HSL (Hue, Saturation, Lightness, en espanol matiz, saturacion y brillo).

Para poder visualizar, almacenar y procesar la informacion numerica que serepresenta de cada pıxel, se debe conocer ademas el modelo de color que se estautilizando. Por ejemplo, el modelo de color RGB y que primarios utiliza.

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4. Visores de imagenes

Un visor de imagenes tambien llamado viewer es una aplicacion informatica quepermite mostrar imagenes digitales guardadas por ejemplo en un disco local, pu-diendo manejar varios formatos de imagenes. Ejemplos son el ACDSee en Windows.Existen tambien programas para editar imagenes, como el Photoshop y Coreldraw.Como veremos mas adelante existen visores especiales para imagenes medicas.

5. Compresion

La compresion de datos es el proceso de reduccion de la cantidad de bits nece-sarios para representar una cierta informacion. Siendo n1 la cantidad de bits de losdatos originales y n2 la de los datos comprimidos, llamamos relacion de compresiona Rc =

n1

n2.

En la figura 10 se muestra un esquema basico de la compresion.

Figura 10. Proceso de compresion y de-compresion

Usualmente, para imagenes, la compresion se mide en la cantidad promedio debits necesaria para codificar un pixel, o sea en bits/pixel.

Clasificacion. Los procedimientos de compresion se clasifican en compresion sinperdidas o con perdidas. En la compresion sin perdidas la informacion recuperadacoincide con la original. Se utiliza en aplicaciones informaticas, imagenes medicas,imagenes satelitales y se logran relaciones de compresion de 3 o 4. En la compresioncon perdidas la informacion recuperada es una aproximacion de la original. Lacalidad depende de la aplicacion, por ejemplo imagenes y videos. Se logran relacionesde compresion de 10 a 100.

Formatos utilizados en imagenes medicas. Los formatos usados en imagenesmedicas son los siguientes: sin comprimir, RLE DICOM, JPEG lossless, JPEG lossy(para revision), JPEG LS y JPEG-2000.

6. Estructura general de un archivo de imagen

La mayorıa de formatos de imagenes digitales estan compuestos por una cabeceraque contiene datos (indicador del tipo de imagen, dimensiones, tipo de codificacion,etc.), seguida de los propios datos de la imagen. Los datos adicionales que van masalla de la imagen misma se llaman metadatos (metadata = dato relativo al dato).La estructura es diferente en cada formato. Todos los formatos de imagenes contie-nen metadatos, por ejemplo, el formato de imagen, las dimensiones, profundidad,tecnica usada para la captura, identificacion del equipamiento, metadata geografica

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y cronologica. En particular, las imagenes medicas poseen metadatos adicionales,por ejemplo, nombre paciente, profesionales, estudio, serie, etc.

Referencias

[1] R. Gonzalez and R. Woods, Digital Image Processing, 2nd ed., Prentice Hall, 2002.

[2] C. Palacios Miras, E. Alonso Gamarra, H. Rodriguez Requena, D. Mollinedo, C. Rubio Hervas- Fundamentos de la imagen digital en Radiologıa - SERAM, Madrid, Espana

[3] Intef - Imagen -

http://www.ite.educacion.es/formacion/materiales/107/

cd/imagen/pdf/imagen01.pdf

[4] H. Rodriguez - Iniciacion a la imagen digital -

http://www.hugorodriguez.com/cursos/curso-idigital_02.htm

[5] L. Gonzalez Perez - Imagen digital -

http://platea.pntic.mec.es/~lgonzale/tic/imagen/

conceptos.html

[6] Foto-Mosaik-Edda - Definicion, tamano de imagen, DPI y PPI -

http://www.fmedda.com/es/article/dpi_ppi

[7] M. Fernandez Barcel - Datos y senales -

http://www.mfbarcell.es/docencia_uned/redes/

tema_03/redes_cap_03.pdf

[8] Bigshot - LCD Pixel -

http://www.bigshotcamera.com/learn/lcd-display/lcd

[9] Develarte - La resolucion optima de tu pagina web -

http://www.develarte.com/2011/03/la-resolucion-optima-de-tu-pagina-web/

[10] Wikipedia - Relacion de aspecto -

https://es.wikipedia.org/wiki/Relaci%C3%B3n_de_aspecto#16:9_.281.77:1.29