Estudo de compressão de dados médicos volumétricos usando codificadores normalizados de imagem

Abstract

The increasing use of technology in aiding to medicine, allowed the development of techniques and procedures to create visual representations of the interior of a human body for medical purposes using techniques such as computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), positron emisson tomography (PET), among others. These imaging techniques create very large amounts of data, forming in this way what is know as medical images. Since these images must be stored, it becomes imperative to its compression, since otherwise it becomes rapidly prohibitive storing this data locally or with the use of the cloud. In this sense, it is necessary to use an image encoding system, more specifically the encoder JPEG 2000. The choise fell on this encoder seen that the international standard for medical images and related information (ISO 12052), also known as DICOM, set as default encoder JPEG 2000 Part 1, i.e. the core of the JPEG 2000 encoding system. However, as this dissertation the medical images used are of volumetric type is also of great interest the utilization of Part 10 of this encoder, since this adds the ability to compression of volumetric images. In this sense it is initially presented an overview of the encoder already with the necessary changes in order to be able to handle with volumetric images. However, along the dissertation is given more attention to step two of the encoder. This step defines the use of transforms based on wavelet technology. In this follow-up is presented a detailed description of wavelet transform implemented in JPEG 2000, the discrete wavelet transform (DWT). In the same segment is show in detail an alternative to the latter, defined as directional adaptive discrete wavelet transform (DADWT). Finally, it is performed an analysis on the different possibilities of using the encoder settings for compression of medical images. The settings used range from the choise of lossy compression or lossless compression to the number of decompositions to perform in each slice in three orthogonal directions. With this is done an analysis of the results obtained, allowing to draw conclusions as varied as, if compensates use axial decomposition in the case of medical images and to that type, the gain obtained with the axial decomposition, the optimal number of decompositions in the three directions, the loss of information when using lossy compression.

A crescente utilização de tecnologia no auxílio à medicina, permitiu o desenvolvimento de técnicas e processos para a criação de representações visuais do interior do corpo humano para propósitos clínicos, usando técnicas como a tomografia computorizada (CT), imagem por ressonância magnética (MRI), tomografia por emissão de positrões (PET), entre outros. Estas técnicas imagiológicas geram uma grande quantidade de informação, formando deste modo o que é conhecido como imagens médicas. Uma vez que estas imagens devem ser armazenadas, torna-se imperativo a sua compressão, pois de outro modo torna-se rapidamente incomportável o armazenamento destes dados localmente ou com a utilização da cloud. Neste sentido, é necessário a utilização de um sistema de codificação de imagens, mais concretamente o codificador JPEG 2000. A escolha recaiu neste codificador visto que a norma internacional para imagens médicas e informações relacionadas (ISO 12052), também conhecida como DICOM, definiu como codificador padrão o JPEG 2000 Parte 1, ou seja, o sistema de codificação central ao JPEG 2000. No entanto, como nesta dissertação as imagens médicas utilizadas são do tipo volumétrico é também de grande interesse a utilização da Parte 10 deste codificador, já que este adiciona a capacidade de compressão de imagens volumétricas. Neste sentido é inicialmente apresentada uma visão geral do codificador já com as alterações necessárias a fim de conseguir lidar com imagens volumétricas. No entanto, ao longo da dissertação é dada mais atenção à etapa dois do codificador. Esta etapa define a utilização de transformadas baseadas em tecnologia wavelets. Neste seguimento é apresentada uma descrição detalhada da transformada wavelet implementada no JPEG 2000, a transformada discreta wavelet (DWT). No mesmo seguimento é apresentado minuciosamente uma alternativa a este último, definido como transformada discreta wavelet direcional adaptativa (DADWT). Por fim, é efetuada uma análise sobre as diferentes possibilidades de configurações de utilização do codificador para compressão de imagens médicas. As configurações utilizadas variam desde a escolha da compressão com perdas ou compressão sem perdas ao número de decomposições a efetuar em cada slice em três direções ortogonais. Com isto é feito uma análise dos resultados obtidos permitindo tirar conclusões tão variadas como, se compensa utilizar decomposição axial para o caso das imagens médicas e para que tipo, o ganho obtido com a decomposição axial, o número ótimo de decomposições a efetuar nas três direções, a perda de informação ao utilizar compressão com perdas.