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Imagens Digitais

Uma imagem é uma distribuição de propriedades físicas. Enquanto uma imagem branco e preto tem um valor de intensidade a cada ponto, uma imagem colorida tem tres valores associados, um para o vermelho, outro para o verde, e outro para o azul. As imagens radiológicas são imagens analógicas. As imagens em sinais de vídeo também são sinais analógicos, em que a voltagem varia suavemente quando o brilho da imagem é varrida no rastreio das linhas horizontais. Estas imagens analógicas não podem ser diretamente tratadas por computador, pois os computadores trabalham com números. Se convertido para uma forma digital, a imagem pode ser modificada de várias maneiras, e, se necessário, armazenada em um computador, antes de ser apresentada em um monitor ou impressa. Desta maneira estruturas vasculares podem ser destacadas por subtração, fraturas podem ser destacadas por realce de bordas, e tecidos moles podem ser destacados escolhendo-se os valores máximos e mínimos a serem graficados (windowing).

Modalidade Característica Física Medida
Radiografia, Fluoroscopia, CT Número Atômico e Densidade de Massa
Medicina Nuclear (PET e SPECT) Absorção do radionucleídeo
Ultrasom Refletividade da Interface
MRI Densidade de Spin e Relaxação do Spin

Um digitalizador é um equipamento em que o sinal, de vídeo de uma câmara de TV, ou de intensidade de um laser transmitido ou refletido, é aplicado a um conversor analógico-digital (ADC). A voltagem de cada ponto, correspondente a seu brilho, é expressa pelo binário (inteiro) mais próximo. Se uma imagem for armazenada em uma matriz de 512x512 pixeis, com cada pixel correspondendo a 0,5 mm, a resolução da imagem será de 1 mm (=2 pixeis). Se o conversor analógico-digital só tiver 8 bits, ele só poderá atribuir valores entre 0 (=00000000) e 256(=11111111). Se o conversor tiver 10 bits, ele poderá armazenar valores entre 0 e 1024. Se tiver 16 bits, poderá armazenar valores entre 0 e 65536. Como um byte corresponde por definição a 8 bits, uma imagem com 16 bits, com 512$ \times$512 pixeis ocupará $ 2 \times 512 \times 512=$ 524 288 bytes ou 512 KB, já que um 1 KB = 1024 bytes. Desta forma, um disquete com 1,44 MB só poderá armazenar duas destas imagens. Um disco com 1 GB poderá armazenar 2000 imagens. Note que se aumentarmos a resolução por uma fator de 2, isto é, se passarmos para uma matriz de 1024$ \times$1024, aumentamos o tamanho da imagem por um fator de 4. Note também que a rede de comunicações normal, por cabo coaxial, com uma placa Ethernet, pode transportar no máximo 10 milhões de bits por segundo (Mbps), isto é, leva no mínimo 0,4 segundos para transportar uma imagem de 512 KB = 512$ \times$8 Kb, enquanto um modem rápido, de 33,6 bps, o limite que uma linha telefônica comum pode transportar, leva 122 segundos para transportar somente uma imagem. Para reproduzir a definição de uma radiografia por filme, são necessários no mínimo uma matrix de 2048$ \times$2048, com 2 bytes por ponto.

Para diminuir as limitações dos digitalizadores ou sensores em geral, podemos aplicar operações que cancelem as não linearidades destes, preservando a linearidade da imagem.

Os dados ``crus'' devem processados utilizando diversas formas de exposições para calibração: exposições de viés (bias), que são exposições com tempos de exposição nulos, e flat-fields, que são exposições com todos os pixeis expostos à mesma intensidade, e que precisam ser obtidos expondo o sensor a uma tela uniforme iluminada por uma fonte, ou a um vaso com água, no caso de CT.

O objetivo da maioria dos dados de calibração é remover os efeitos aditivos, como o nível do pedestal eletrônico (medido na região do overscan em cada frame), o nível de pre-flash (medido nas imagens, frames, de viés), e, se necessário, a corrente escura (que seria medida em frames de longa exposição não expostos à luz, os darks). Os dados de flat-field irão remover os ganhos multiplicativos (diferenças de ganho pixel a pixel) e variações de iluminação através do chip.

As imagens precisam ser subtraídas do viés medido na região do overscan, recortadas para eliminar a região do overscan e os defeitos das bordas do CCD, subtraídas das imagens de viés e então divididas por uma imagem do flat-field médio obtido com o filtro correspondente à imagem. A seguir damos uma explicação mais detalhada da necessidade de cada um desses passos, e como são feitos:

\epsfig{file=ccd2.epsf,width=10cm,clip=}
Em um detector CCD, quando a luz incide na sua superfície, elétrons constituindo um pacote de carga são produzidos e coletados em uma determinada área definida por um eletrodo carregado positivamente. A superfície do CCD é constituída por várias dessas áreas, chamadas pixeis (elementos de imagem). Quando se completa a exposição, os elétrons coletados são transportados para um amplificador, e para um conversor analógico- digital, que transforma a carga de cada pacote em um número binário que ao ser lido pelo computador é traduzido como o número de contagens (N).

Ao obter as imagens, o sinal de saída (o número de contagens N) fica ``levantado'' devido a um ``bias'' (viés) surgido no processo de leitura do sinal. Esse bias (viés) varia com a posição no chip, principalmente ao longo das colunas, variando pouco ao longo das linhas. Para removê-lo usa-se os dados na região do overscan, que são algumas colunas na margem do frame, não expostas à luz.

Para fazer a subtração, todas as colunas da região do overscan são pro-mediadas em uma só coluna, e a essa coluna é ajustada uma função suave (spline, Legendre ou Chebyshev) do número da linha. A função ajustada é então subtraída de todas as colunas do frame.

Neste ponto, toda a região do overscan é recortada do frame, juntamente com as primeiras e últimas colunas de dados, onde os efeitos de borda são importantes, de forma a manter somente a parte da imagem que contém dados úteis. Esse procedimento de subtração do overscan e recorte dos frames é aplicado a todos os frames: bias, flat-fields, darks e objeto.

Se o frame foi pré-exposto à luz antes de ser exposto, (o que às vezes é necessário para ``aquecer'' os pixeis de forma a eles passarem a ter uma resposta linear ou aumentar a transmissão dos elétrons acumulados em cada pixel) haverá ainda uma quantidade não nula de contagens superpostas à imagem. Para remover esse sinal, além de possíveis variações ao longo das linhas, ainda não corrigidas com o procedimento anterior, usam-se os frames de bias. Esses frames são combinados para minimizar os efeitos de ruído, raios cósmicos, e rejeitar pixeis ruins (pixeis com transmissão não linear); o frame final obtido é subtraído de todos os outros tipos de imagens: flat-fields, darks e objeto.

Em alguns CCD's, existe também uma quantidade não desprezível de corrente de escuro adicionada em longas exposições. Para removê-la, se tomam frames com exposições longas com o diafragma fechado, chamados ``darks''. Os darks são submetidos a todos os passos de pré-processamento descritos até aqui.

O próximo e último passo é fazer a correção do flat-field, que irá remover as variações de ganho pixel a pixel. Isso é feito combinando as imagens de flat-field da mesma forma que foram combinadas as imagens de bias, porém agrupadas por filtro, e a imagem final em cada filtro é normalizada. Finalmente a imagem de objeto em cada filtro é dividida pelo flat-field correspondente.

O procedimento para esta etapa pode ser sumarizado através da equação:

$\displaystyle {N_s}(i) = [{N_e}(i) - Overscan -Zero(i)]/Flatfield$

onde $ {N_s}(i)$ se refere ao número de contagens em cada pixel na imagem final ($ i$ varia de 1 ao numero total de pixeis), $ {N_e}(i)$ se refere ao número de contagens em cada pixel na imagem inicial, overscan é o bias da coluna de leitura, $ zero(i)$ é o bias de cada pixel, e $ flatfield$ é a média final de todos os flatfield, já normalizada.

Para analisar uma imagem, é preciso que esta esteja em forma digital. Se a imagem inicial for fotográfica, é preciso passá-la por um digitalizador (scanner). O processamento da imagem inclui transformações, realce ou aprimoramento, restauração, compressão, registro e reconstrução.


Volta Instituto de Física


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Modificada em 21 set 1998