Qualidade do Processamento de Imagens Mamográficas Adquiridas em um Digitalizador com Tecnologia a Laser e um com Tecnologia CCD Abstract Renata de Freitas Góes, Homero Schiabel, Maurício Escarpinati Universidade de São Paulo - Departamento de Engenharia Elétrica São Carlos, SP, Brasil e-mail: rfgoes@sel.eesc.usp.br This paper has studied the detection capacity of mammography s images that was by acquiring by using a laser scanner (Lumiscan 50) and a conventional optic scanner to film digitalizing (Umax, model PowerLook 1200). Though statistical analysis can evaluate the both scanners images. Thus, noticed that the optic scanner showed a huge increasing in the digitalizing image intensity (gray level) regarding original. Considering these answers, has been developed a procedure to compensate the displacement of the curve of each scanner regarding the film characteristic curve. The adjustment polynomial generated, so it, was used as correction to digitalized images in the optic scanner. After this, all digitalized images in both scanners were processed using mammography images segmentation technical to detection of microcalcifications previously implemented by our research team, for the purpose of established a comparison between the sensibility of identification of the interesting structures in the digitalized images in both equipaments. Introdução O objetivo principal da realização de qualquer tipo de tomada radiográfica é a reprodução mais fiel possível do objeto de interesse, pois a qualidade da imagem se traduz no elemento de fundamental importância para o direcionamento de um radiodiagnóstico. Aliado a isto, depara-se muitas vezes com questões que devem ser consideradas no momento da aquisição de uma radiografia digital, no caso deste trabalho a imagem mamográfica. O processo de aquisição da imagem mamográfica digital é uma das etapas mais importantes para o processamento computacional, principalmente no caso dos esquemas de diagnóstico auxiliado por computador (CAD). O CAD pode ser definido como um diagnóstico feito por um radiologista que utiliza o resultado de análises quantitativas automatizadas de imagens radiográficas como uma segunda opinião para a tomada de decisões diagnósticas ([3],[5],[6]). É importante ressaltar que o computador é utilizado somente como uma ferramenta para obtenção de informação adicional, sendo o diagnóstico final sempre feito pelo radiologista, o que diferencia claramente o conceito básico de diagnóstico auxiliado por computador do conceito de diagnóstico automatizado, que foi um conceito proposto nas décadas de 1960 e 1970. Os principais grupos de pesquisa que desenvolvem esquemas CAD na área da mamografia quando utilizam da forma de digitalização de filmes mamográficos têm empregado geralmente scanners cuja varredura é feita a laser, como os da linha Lumiscan (da antiga Lumisys, Inc. adquirida há alguns anos pela Eastman Kodak Company). Estes autores ([2],[11]), indicam os scanners com fonte de luz laser para a digitalização de filmes como sendo o dispositivo mais eficiente para a aquisição de filmes radiográficos, devido à qualidade da imagem e às altas taxas de resolução alcançadas por estes sistemas. Devido, porém, à tecnologia empregada neste tipo de scanner, seu custo se torna muito elevado, o que é sua maior desvantagem. Alternativamente, outras equipes utilizam
scanners com tecnologia CCD e fontes de luz branca, que possuem um custo bem menor, com características aceitáveis ([1],[4],[7],[8], [12]). Este trabalho tem como proposta fazer uma avaliação das características do processo de aquisição de imagens e seus efeitos no processamento digital. Para isso, foram estudados dois tipos de scanners com características específicas para a digitalização de filmes radiográficos, um pertinente a tecnologia CCD (UMAX mod. PowerLook 1200) que possui uma resolução espacial de até 600 dpi, opera também com resolução de contraste de 12 bits; e vem acompanhado de um software que nos permite variar os parâmetros de contraste e iluminação em um preview e um outro com tecnologia a laser (Lumiscan50) que utiliza uma resolução espacial de 1140 pixels por linha e resolução de contraste de 12 bits, com sensibilidade a uma faixa que varia de 0 a 3,6 em termos de densidade óptica (DO) no filme mamográfico. Materiais e Métodos Na Figura 1 é apresentado o diagrama esquemático proposto para a análise comparativa de ambos os digitalizadores. Gerar Curva Características de Ambos os Digitalizadores Certificar que a Imagem é Invariante Digitalizar todas as Imagens no Scanner Laser Digitalizar todas as Imagens no Scanner Óptico Corrigir as Imagens com o polinômio gerado Definir RIs das imagens Processar as Imagens Analisar Figura 1 Diagrama esquemático proposto para a análise comparativa de ambos os digitalizadores De acordo com o diagrama proposto para o desenvolvimento do estudo, o primeiro passo foi realizar testes comparativos a fim de obter uma avaliação preliminar sobre os aspectos da digitalização de imagens mamográficas propriedades e características dos digitalizadores e softwares gerenciadores da aquisição da imagem digitalizada. Contudo, para estes testes, foi preciso gerar a curva característica de filmes radiográficos através de sua imagem digitalizada, que tem como objetivo a realização de testes comparativos entre a resposta de diferentes scanners quando utilizados para digitalização de uma mesma imagem.
O gráfico da Figura 2 retrata a resposta dos digitalizadores em função da densidade óptica do filme. A partir dele, pode-se perceber um significativo desvio da curva do digitalizador óptico comparada à curva característica medida para o filme, retratando um aumento acentuado na intensidade (nível de cinza) na imagem digitalizada em relação à original. Já para o digitalizador a laser, embora exista, o deslocamento é sensivelmente menor, além de corresponder a uma variação próxima de um valor constante[10]. Figura 2 - Gráfico retratando a resposta dos digitalizadores em função da densidade óptica do filme. Em função dessas respostas, foram realizados vários testes com imagens de Phantoms, a fim de garantir uma comparação mais precisa entre as imagens digitalizadas. Para isso, digitalizou-se várias vezes uma mesma imagem (10 vezes) de um Phantom mamográfico no mesmo digitalizador de maneiras diferentes, o que permitiu identificar as variações de intensidade existentes na escala produzidas pelo sensitômetro. Sabendo-se que a mesma imagem tem variações de intensidades desprezíveis para cada digitalização, o próximo passo foi definir um polinômio para correção da imagem digitalizada no scanner óptico em relação à digitalizada no laser. Em seguida, foi desenvolvido um procedimento utilizando a linguagem de programação Delphi, para compensar o deslocamento da curva de cada digitalizador em relação à curva característica do filme. Esse polinômio é apresentado na equação 1, onde X é o nível de cinza da imagem. P(y) = -2018.03169 +11.90375 * x 0.01777 * x 2 +1.20098E5* x3 2.81668E9 * x 4 (1) A Figura 3 retrata um exemplo da aplicação do polinômio descrito na eq. (1) para corrigir os níveis de cinza de uma imagem mamográfica digitalizada no scanner óptico de acordo com as características de digitalização da mesma imagem no scanner laser. (a) (b) (c) Figura 3 (a) Imagem mamográfica original digitalizada no scanner a laser; (b) mesma imagem digitalizada no scanner óptico; (c) Resultado da aplicação do Polinômio de Correção à Imagem digitalizada no scanner óptico. Com o polinômio de correção gerado, foram realizados os testes deste trabalho, os quais envolveram um conjunto inicial de 100 imagens mamográficas obtidas a partir do Hospital das Clínicas
da UNESP de Botucatu/SP, com conhecimento prévio das estruturas presentes, além de suas posições e dimensões. Todas as imagens foram digitalizadas em ambos os scanners com idênticos níveis de resolução espacial e de contraste. Nessa etapa, o polinômio foi utilizado como correção para as imagens digitalizadas no scanner óptico. Após esse procedimento, utilizou-se um programa para, inicialmente, realizar o recorte das regiões de interesse (no caso desse trabalho, referentes a agrupamentos de microcalcificações) de cada uma das imagens, sendo que cada um destes recortes originou uma nova imagem, posteriormente processada por uma técnica de segmentação para detecção de microcalcificações desenvolvida previamente no nosso grupo de pesquisas [9]. A finalidade foi estabelecer uma comparação da sensibilidade de detecção do esquema para imagens digitalizadas pelos dois tipos de equipamentos. Resultados Os resultados da segmentação dos mamogramas utilizando a técnica mencionada acima para detecção de microcalcificações demonstraram até aqui que as imagens adquiridas tanto do digitalizador óptico quanto para o digitalizador a laser produziu um resultado aproximadamente semelhante, conforme apresentado na Figura 4. Figura 4: (a) Localização das microcalcificações da imagem obtida no scanner óptico e (b) scanner laser. Foram processadas regiões de interesse de 100 mamogramas, sendo 30 normais e 70 com presença de microcalcificações. Estes testes tomaram como base as informações provenientes dos laudos médicos que informaram sobre a eventual presença de microcalcificações na imagem. Os resultados obtidos estão resumidos na Tabela 1, onde temos FN (Falso-Negativo), VP (Verdadeiro- Positivo), FP (Falso-Positivo) e VN (Verdadeiro-Negativo) e na Tabela 2, onde temos a taxa de ruído detectado em ambos os digitalizadores para o conjunto de 100 imagens. Digitalizador usado FN% VP% FP% VN% a Laser 7% 93% 1% 99% Óptico 10% 90% 6% 94% Tabela 1 Resultados obtidos após segmentação das RIs das imagens mamográficas reais para detecção de microcalcificações (método de [GOES2002])
Digitalizador usado Ruído a Laser 8% Óptico 28% Tabela 2 Resultados referentes à taxa de ruído Pelas taxas acima apresentadas, podemos analisar o número total de acertos, isto é, as taxas de detecção verdadeira-positiva de 93% e verdadeira-negativa de 99% para o scanner laser, e de 90% e 94%, respectivamente, para o scanner óptico. Para analisar as microcalcificações detectadas nas imagens, foram separados conjuntos de imagens com e sem microcalcificações. Os testes foram analisados conforme o achado de microcalcificação na região de interesse (no caso, um resultado VP) pelo sistema quando o laudo indicava realmente sua existência, e pelo diagnóstico FN quando o sistema não detectava microcalcificação, embora apontada pelo laudo. O diagnóstico FP foi considerado quando o sistema apontava microcalcificação na imagem, sem, entretanto, indicação no laudo correspondente, e, por fim, o diagnóstico VN foi considerado quando o sistema não apontava microcalcificação na imagem, em acordo com a indicação do laudo. No intuito de comparar os resultados das imagens processadas, foram geradas as curvas ROC (Receiver Operating Characteristic) dos resultados obtidos das imagens digitalizadas no scanner óptico e no scanner a laser. Para as imagens digitalizadas pelo scanner óptico, a avaliação do esquema segundo o processo descrito acima apresentou um Az de 0,97, enquanto que, para as digitalizadas pelo scanner laser, o desempenho levou a um Az de 0,98. Conclusão Nos testes realizados a fim de comparar as respostas dos scanners, visando gerar as suas respectivas curvas características, constataram-se variações sensíveis em relação à curva característica original do filme. Em tese, esses sistemas deveriam responder linearmente às variações de DO no filme, durante a digitalização (normalmente numa relação 1:1000 em termos de DO:nível de cinza). Entretanto, como já investigado em trabalhos prévios ([2], [4], [11], [12]), isso não ocorre na prática e, para os scanners com tecnologia luz+ccd, esse problema é mais acentuado, como demonstram os resultados do gráfico da Figura 2. A aplicação do polinômio de correção, porém, permitiu uma representação mais fiel das densidades ópticas do filme pela imagem desse equipamento, além de torná-la comparável à do scanner laser. Analisando-se o comportamento de um esquema de processamento de imagens mamográficas quando aplicado a imagens digitalizadas em ambos os scanners sem a aplicação da correção, mostra que as imagens adquiridas no digitalizador a laser possuem uma sensibilidade melhor quando comparado com o digitalizador óptico, porém quando aplicado o polinômio de correção estes resultados se tornam equivalentes, embora tenha sido registrado nas imagens do digitalizador óptico um pequeno aumento de ruído. Espera-se que, na continuidade dessa investigação, possa ser especificado mais detalhadamente quanto a equivalência registrada na presente pesquisa realmente está relacionada à dependência ou não que a performance do processamento de imagens mamográficas tem do tipo de digitalizador utilizado na sua aquisição. Os resultados obtidos até aqui indicam que o trabalho se encontra no caminho certo, necessitando ainda a realização de alguns testes para ao final poder indicar com uma maior precisão a influência dos digitalizadores na aquisição de imagens mamográficas.
Agradecimentos Os autores agradecem ao Hospital das Clínicas de Botucatu/SP, da UNESP. Referências Bibligráficas [1]CANNAVO MJ. (2004).As a piece of equipment, a film digitizer get little respect; but everybody seems to have one, and it does require proper care and feeding. The Journal of imaging Techonogy Management. Disponível em: http://www.imagingeconomics.com/library/200406-08.asp Acessado em: 05/06/2006. [2]DAVIDSON, H.C. et al. (2001). Comparison of radiographic image quality from four digitization devices as viewed on computer monitors. J Digit Imaging, v14, n.1, p. 24-9, Marc. [3]DOI, K; GIGER,M.L.; NISHIKAWA,R.M.; SCHMIDT,R.A. (1997).Computer-aided diagnosis of breast cancer on mammograms. Breast Cancer, v.4, n.3, p.228-233. [4]ESCARPINATI, M. C.; VIEIRA, M. A. C.; SCHIABEL, H.(2004). Evaluation of film digitizer s spatial resolution by slit image computational analysis SPIE MI. Physics of Medical Imaging, v. 5368, p. 861-868. [5]GIGER, M.L. (1999). Computer-aided diagnosis. RSNA Categorial Course in Breast Imaging, p.249-272. [6]GIGER, M.L. (2000). Computer-aided diagnosis of breast lesions in medical images. Computing in Science & Engineering, v.2, n.5, p.39-45. [7]GITLIN JN, SCOTT WW, BELL K, NARAYAN A.(2002). Interpretation Accuracy of a CCD Film Digitizer. PubMed. indexed for MEDLINE. Journal of Digit Imaging.,15 Suppl 1:57-63. Epub 2002 Mar 21. [8] GOES, C. E.; SCHIABEL, H.; NUNES, F. L. S. (2002). Evaluation of microcalcifications segmentation techniques for dense breast digitized images Journal of Digital Imaging, v. 15, suppl. 1, p. 231-233. [9]GOES, C.E. (2002) Segmentação de Imagens Mamográficas Digitais para Detecção de Microcalcificações em Mamas Densas. Dissertação de Mestrado - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. [10]GOES, R.F.; SCHIABEL, H; ESCARPINATI, M. C..(2006). Estudo comparativo da qualidade de imagens mamográficas adquiridas no digitalizador a laser e digitalizador óptico.- XI Congresso Brasileiro de Física Médica. Ribeirão Preto. [11]HANGIANDEROU, N.J.; O CONNOR, T.C.; FELMLEE, J.P. (1998) An evaluation of the signal and noise characteristics os four CCD- based film digitizers. Med. Phys, v25, n10, p2020-2026. [12]KANG W.S., MIN D.K., JUNG H., KIM S.R., SON Y.M., DO J.H., YOO H.S., KIM H.J. (2003).Quantitative Assessment of Film Digitizer Used Film less Full PACS System: LASER vs. CCD Digitizer [12]LUMISYS-Disponível em: <http://www.kodak.com/global/en/health/productsbytype/index.jhtml>. Acessado em : < 01/05/2006>