Procesamiento paralelo de imágenes de vídeo para la detección de sangrado y vendas en operaciones de cirugía laparoscopica

PROCESAMIENTO PARALELO DE IMÁGENES DE VIDEO PARA LA DETECCIÓN DE SANGRADO Y VENDAS EN OPERACIONES DE CIRUGÍA LAPAROSCOPICA Dylan De wael Ka holieke Hogeschool Limbu g, Bélgica, 1135195@s uden .khlim.be Rubén Ga cía, Eusebio de la Fuen e, Félix M.T espade ne, Juan C. F aile, Ja ie P. Tu iel, Lidia San os ITAP - Ins i u o de las Tecnologías A anzadas de la P oducción, Uni e sidad de Valladolid. uben.ga [email protected] a.es; { e uen e, espa, jc aile, u iel,}@eii.u a.es, lidia.[email p o ec ed] Resumen Se p esen a una aplicación de p ocesamien o de imagen pa a un en o no obo izado des inado a asis i a un médico en ope aciones de ci ugía lapa oscópica. Du an e la ope ación el obo , a a és del sis ema de isión, debe á de ec a cuándo apa ece una si uación de sang ado den o de la ca idad abdominal con obje o de ayuda al ci ujano a a aja es a si uación. El sis ema de p ocesamien o de imágenes se ha ampliado ambién a la de ección de endas pa a ga an iza que se e i an odas al inaliza la ope ación. Con obje o de pe mi i un p ocesamien o en iempo eal de las imágenes de ídeo, el sis ema desa ollado ealiza un p ocesamien o en pa alelo di idiendo las di e en es a eas en e odos los núcleos exis en es en el p ocesado empleando la biblio eca In el TBB. Palab as Cla e: Ci ugía Lapa oscópica, P ocesamien o de Imagen, P ocesamien o Pa alelo. 1 INTRODUCCIÓN Conside ada como la única écnica que ha supues o un cambio e oluciona io en el campo qui ú gico en el úl imo siglo [11] [8], y cuyo empleo se ha expandido de o ma cons an e desde los años se en a [12], la lapa oscopia pe mi e examina y ac ua sob e los ó ganos de las ca idades abdominal, o ácica y la pel is. La adicional p emisa de que los g andes p oblemas qui ú gicos implican g andes incisiones [4] deja de cumpli se con la aplicación de es e ipo de in e enciones mínimamen e in asi as. En la ac ualidad la lapa oscopía en sus di e en es e siones se puede encon a en un amplio y di e so ango de especialidades: Ci ugía Gene al y del Apa a o Diges i o, Ginecología y Obs e icia, U ología, Ci ugía Pediá ica, Ci ugía To ácica, Ci ugía Vascula , Neu oci ugía y T auma ología, en e o as. Figu a 1. Rep esen ación esquemá ica de los disposi i os de en ada ípicos ( óca es) del ins umen al lapa oscópico [9] En la ejecución del p oceso lapa oscópico se ealizan una o a ias incisiones de 1 cm en el abdomen, pe mi iendo de es a o ma el uso del abo daje endoscópico como ins umen o qui ú gico (Figu a 1). Nume osos es udios [14] [2] [7] han e elado los mejo es esul ados e apeú icos, a ni el pe iope a o io, median e la aplicación de la lapa oscopia en e a la lapa o omía (ope ación qui ú gica en la cual se ab e el abdomen): - Hospi alizaciones más co as - Incisiones más pequeñas - Recupe aciones uncionales más ápidas - Meno uso de analgésicos - Meno pé dida de sang e - Meno dolo posope a o io No obs an e, la es anda ización de es a écnica qui ú gica ha gene ado cie a esis encia en e algunos miemb os de algunas especialidades en la comunidad médica debido, p incipalmen e, a los siguien es ac o es: - inc emen o del iempo de ope ación - acceso limi ado a la o mación - aumen o de la complejidad de la ope ación - mayo es di icul ades écnicas en la ci ugía Aunque es as limi aciones han in luido no ablemen e en el inc emen o de su cu a de ap endizaje [13], la obó ica médica puede con ibui en la mejo a de la capacidad écnica humana pa a lle a a cabo es e ipo de in e enciones [15]. La in eligencia a i icial ha es ado p esen e de o ma de e minan e en el a ance, en e o as, de la ci ugía mínimamen e in asi a. En la ca ego ía de los sis emas de sopo e de la cáma a se pueden des aca [6] [1] AESOP (Au oma ed Endoscopic Sys em o Op imal Posi ioning) cuyo guiado se ealiza de o ma manual o a a és de la oz; EndoAssis , di igido median e los mo imien os de la cabeza del ci ujano; SoloAssis , accionado con un pequeño joys ick; ViKY, cuya cáma a se di ige ía oz o con el pie; Passis , disposi i o de sujeción pasi o; y LapMan. Así mismo, de o ma pa alela han apa ecido a ios desa ollos de ipo maes o-escla o en el á ea de la elep esencia lapa oscópica, los sis ema Zeus y da Vinci, que han apo ado imensionalidad aumen ada de al a esolución, il ado de mo imien os pa ási os del ci ujano y p ecisión de los ins umen os al ep oduci los mo imien os de la mano, muñeca y dedos. Resul a ob io que a pesa de las en ajas que p esen a la lapa oscopia desde el pun o de is a clínico, es a écnica disminuye en el ci ujano la pe cepción de la p o undidad, la coo dinación mano- ojo y la ealimen ación de ue za al manipula los ejidos con mic oins umen os. Po ello, en los úl imos años se es á ealizando un es ue zo de in es igación signi ica i o pa a desa olla p o o ipos de obo s qui ú gicos que acili en el abajo al ci ujano y pe mi an sol en a los incon enien es y disminui las des en ajas. Den o de es a línea se encuen a es e a ículo en el que se p esen a un sis ema de p ocesamien o de imagen des inado a asis i a un médico en ope aciones de ci ugía lapa oscópica. Du an e la ope ación la pla a o ma obo izada, a a és del sis ema de isión, debe á de ec a cuando apa ece una si uación de sang ado den o de la ca idad abdominal con obje o de ayuda al ci ujano a esol e ápidamen e es a si uación. El sis ema de p ocesamien o de imágenes ambién se ha desa ollado pa a la de ección de endas, ga an izando que se e i an odas de la ca idad abdominal al inaliza la ope ación. 2 DETECCIÓN DE SANGRADO Y PRESENCIA DE VENDAS EN LA CAVIDAD ABDOMINAL En las ope aciones de lapa oscopia es ecuen e que los co es a ec en a aso sanguíneos del pacien e y se p oduzcan si uaciones de sang ado que deben se a ajadas ápidamen e. Aunque es o es p opio de cualquie ope ación de ci ugía, en el caso de la lapa oscopia es as si uaciones son más complicadas de abo da po las limi aciones que iene es a écnica sob e la pe cepción y sensibilidad del ci ujano y su mo ilidad. Po es e mo i o se ha desa ollado una aplicación de p ocesamien o de imagen que, pa iendo de la secuencia de ideo p opo cionada po el endoscopio, sea capaz de de ec a es as si uaciones. Es o pe mi i á en un u u o asis i al ci ujano an e la apa ición de es as condiciones de sang ado median e un obo que ope e de o ma o almen e au ónoma. Con obje o de localiza las si uaciones de sang ado a a emos de de ec a una p esencia signi ica i a de sang e en las imágenes. Aunque la sang e iene un colo muy ca ac e ís ico, es e no lo es an o en un escena io de lapa oscopia donde su colo se con unde ácilmen e con el del ejido humano. Pa a de de ec a las pa es con p esencia de sang e en cada imagen del ídeo ( igu a 2), hemos empleado un pa de condiciones sob e el colo . La p ime a es es ablece un ango álido sob e las componen es de la señal RGB. Pues o que la sang e siemp e se á oja se ha de e minado un amplio ango pa a la componen e R, y mucho más limi ados en las componen es G y B. De es a o ma cualquie o o elemen o que di ie a en el colo al como g asa, endas o ins umen al es ácilmen e excluido. En la segunda condición que se ha es ablecido se abaja con una elación en e dos canales de colo di e en es. En [3] se p esen a la segmen ación de imágenes cap u adas po una capsula endoscópica en la que se emplea la elación B/R y G/R. Solo aquellos píxeles que p esen an ambas elaciones po debajo del 0.6 son conside ados como sang e. En nues o caso hemos bajado el alo a 0.4 pues o que las imágenes de la ca idad abdominal p esen an un mayo con enido en ojo que en el in e io del in es ino. Se án conside ados como sang e aquellos píxeles que además de la p ime a condición ela i a al colo cumplan las siguien es elaciones: 0.1 < (B/R) < 0.4 0.1 < (G/R) < 0.4 (1) a b Figu a 2. a) Imagen o iginal donde apa ece un p oceso sang ado. b) Píxeles ma cados como sang e. 3 DETECCIÓN DE LA PRESENCIA DE VENDAS EN LA CAVIDAD ABDOMINAL El p ocesamien o de imágenes no se ha limi ado a la de ección de sang ado sino que se ha ampliado ambién al con ol de endas en el in e io de la ca idad abdominal pa a ga an iza que se hayan e i ado odas cuando la ope ación haya inalizado. En la de ección de endas, la u ilización del colo no es del odo disc iminan e. La apa iencia de una enda, que inicialmen e p esen a un colo blanco muy ca ac e ís ico ( ig.3a), cambia adicalmen e cuando es a se empapa de sang e ( ig.6a). Sin emba go, a pesa de es e cambio en el colo , la enda sigue man eniendo una ex u a más o menos e iculada que esul a muy pa icula . Po ello se analiza á la ex u a pa a de e mina la p esencia de una enda en la imagen. El análisis de ex u a [5] se ha empleado en muchas aplicaciones que an desde el p ocesamien o de imágenes de sa éli e has a imágenes médicas pasando po sis emas de inspección indus ial. El análisis de ex u a en una imagen p opo ciona in o mación ace ca de la dis ibución espacial del colo o in ensidades en las egiones de la imagen. La ex u a se puede cuan i ica calculando un conjun o de mé icas. El g ado de ex u a que desc ibimos in ui i amen e con cali ica i os como áspe a, sua e, g anulada, ayada, … puede medi se en unción de la a iación local del colo o ni el de g is en los píxeles. En nues a aplicación emplea emos el análisis de ex u a pa a ex ae de la imagen las á eas que p esen an una mayo ex u a. Pa a ello u iliza emos pa áme os es adís icos. Es os pa áme os pueden ca ac e iza la ex u a po que p opo cionan in o mación sob e la a iabilidad local del ni el de g is en los píxeles. Po ejemplo, calculando la a ianza del ni el de g is en la ecindad de cada píxel ob enemos una medida del g ado de a iabilidad de los alo es de los píxeles en esa egión. En á eas con una ex u a sua e, la a ianza de los ni eles de g is se á baja, mien as que en á eas con más ex u a la a ianza se á mayo . Análogamen e se pueden calcula o os pa áme os es adís icos como ( ig.3):  El con as e que p opo ciona una medida de las ecuencias espaciales en la ecindad del pixel.  La ene gía que mide la uni o midad de la ex u a. Alcanza al os alo es cuando la dis ibución de ni eles de g is en la en ana iene bien un alo cons an e o una o ma pe iódica. a b c d Figu a 3. a) Imagen o iginal [16]. Resul ados de calcula dis in os es adís icos en una en ana 7x7: b) Con as e, c) Des iación es ánda y d) En opía.  La en opía que cuan i ica el deso den en la imagen. Cuando no exis e una ex u a uni o me la en opía es al a. La en opía es á elacionada in e samen e con la ene gía. Veamos cómo se ealiza á el cómpu o de la des iación es ánda . Sea X una a iable alea o ia con media µ:  ][XE (2) Donde el ope ado E es la media o alo espe ado de X. La des iación es ánda de X es la can idad: ])[( 2   XE (3) Empleando las p opiedades del alo espe ado: ])[( 2   XE ][)]2[(][ 22  EXEXE  ]][2][ 22   XEXE 22222 ][]2][   XEXE ]])[(][ 22 XEXE  (4) a b c d Figu a 4. Resul ados in e medios sob e la imagen de la ig.3a: a) segmen ación po colo . b) segmen ación po ex u a (des iación es ánda ). c) combinación de a y b (AND lógico). d) Resul ado inal donde se señala la p esencia de la enda sob e la imagen o iginal. que es la ó mula que se emplea compu acionalmen e pa a el cálculo de la des iación es ánda . En el caso que nos ocupa de p ocesamien o de imagen el alo espe ado de cada pixel ][XE puede calcula se en una de e minada ecindad empleando un box il e . Y lo mismo pa a el caso de ][ 2 XE sob e la imagen al cuad ado. De es a o ma la des iación es ánda puede se calculada ápidamen e. Es a es una ca ac e ís ica muy in e esan e cuando es amos hablando de un sis ema de p ocesamien o de ideo en iempo eal. 4 PROCESAMIENTO PARALELO Pa a cumpli con los eque imien os de iempo eal la aplicación pa a ealiza un p ocesamien o de las imágenes en pa alelo. La aplicación ha sido desa ollada con la biblio eca TBB (In el Th eading Building Blocks) y pod á ejecu a se e icien emen e en p ocesado es con cualquie núme o de núcleos. 4.1 LA BIBLIOTECA INTEL TBB La TBB es una biblio eca desa ollada po In el que es á basada en el uso plan illas y en el concep o de p og amación gené ica de C++ [10]. Posibili a una p og amación pa alela más di ec a median e una mayo en la abs acción de ges ión de hilos y pe mi i ol ida se de los de alles de la pla a o ma. TBB pe mi e especi ica el pa alelismo de mane a más con enien e que usando los adicionales hilos, mejo ando además las p es aciones, po abilidad y escalabilidad. La escalabilidad de un p og ama cuan i ica en qué medida aumen a su elocidad de ejecución según el núme o de núcleos de p ocesamien o aumen a. En un con ex o en el que el núme o de núcleos en los p ocesado es es á aumen ando cons an emen e, la lib e ía hace mucho más ácil el esc ibi un p og ama que siga siendo e icien e con el aumen o de la can idad de núcleos de p ocesamien o. La TBB abaja con a eas, no con hilos, y pe mi e que sea la biblio eca quien dis ibuya las a eas en hilos de una mane a e icien e. Es a es una de las mayo es en ajas que o ece, que pe mi e que la aplicación ap o eche odo el po encial del ha dwa e cuando se ejecu a en un p ocesado con más núcleos. La di isión del p og ama en bloques uncionales, asignando un hilo a cada bloque, gene almen e no es un buen en oque en p ocesamien o de imagen po que no es escalable pues o que el núme o de bloques uncionales se á inicialmen e ijo. En la TBB emplea una écnica más lexible de p og amación basada en la pa alelización de da os que pe mi e a di e en es hilos abaja en di e en es pa es de la imagen. El pa alelismo de da os es un pa adigma muy adecuado pa a ope aciones sob e imágenes, dado que su p ocesamien o consis e en aplica la misma ope ación sob e cada una de sus pa es. La pa alelización de da os pe mi e eescala el p ocesamien o a cualquie núme o de p ocesado es al di idi las imágenes en pa es más pequeñas con inuamen e y ecu si amen e si es necesa io. Es a escalabilidad hace que no se p ecise ningún cambio en el código uen e o los ejecu ables cada ez que apa ece un nue o p ocesado con más núcleos. El pa alelismo de da os unciona muy bien en combinación con el equilib ado de ca gas dinámico que implemen a la TBB. Es a biblio eca emplea el obo de a eas ( ask s ealing) pa a equilib a la ca ga de p ocesamien o sob e los núcleos exis en es. Al inicio la ca ga se dis ibuye equi a i amen e en e los dis in os núcleos de p ocesamien o. No obs an e, si en el ges o de a eas en algún momen o de ec a que algún núcleo es á ocioso mien as o os p esen an en sus colas de a eas una g an ca ga, el ges o edi ecciona pa e de la ca ga al núcleo desocupado. Es a capacidad de edis ibución dinámica de la ca ga en e los núcleos desacopla la p og amación de la máquina y hace posible que las aplicaciones se ejecu en e icien emen e cualquie a que sea el núme o de núcleos del p ocesado sin necesidad de eesc ibi el código. 4.2 ESTRUCTURA DE LA APLICACIÓN La aplicación desa ollada se puede ep esen a en un diag ama de lujo ( ig. 5). En es e diag ama los nodos ep esen a ían el p ocesamien o que se ealiza en esa e apa y los a cos se ían los canales de comunicación en e esos elemen os de p ocesamien o. Los mensajes que se pasan en e los nodos pueden con ene da os o simplemen e ac ua como señales que indican que el nodo an e io ha inalizado. En la biblio eca TBB exis e una clase g a o y clases nodo asociadas que se emplean pa a exp esa es as dependencias. El p og amado es esponsable de in oduci los a cos necesa ios pa a exp esa las dependencias que deben espe a se cuando los nodos se ayan a ejecu a . De es a o ma se p opo ciona al plani icado In el TBB la lexibilidad pa a ap o echa el pa alelismo que se especi ica en la opología del g a o. Figu a 5. Es uc u a de la aplicación 1. Recibe cada ame cap u ada y a con inuación la en ía a los cua o componen es que pueden ejecu a se en pa alelo 2, 3, 4 y 6. 2. Calcula el p ime sumando ][ 2 XE pa a la des iación es ánda (ec.4). 3. Calcula el segundo sumando 2 ])[( XE pa a la des iación es ánda (ec.4). 4. Ob iene imagen bina ia en la que se mues an odos los píxeles cuyo colo se encuen a den o de los angos p es ablecidos pa a se e ique ado como enda. 5. Cuando los componen es 2, 3 y 4 e minan se p ocede al cálculo de la des iación es ánda a pa i de los esul ados p opo cionados po 2 y 3. A pa i de la des iación es ánda se ob iene una imagen bina ia que ma ca la p esencia de ex u as como la de la enda. Es a imagen bina ia se combina (AND lógico) con la o iginada en 4 co espondien e al colo p opo cionando o a imagen bina ia de la cual se ex ae el componen e de mayo á ea y sob eimp esiona el esul ado en la imagen en azul. 6. Es e componen e analiza la imagen buscando egiones de sang ado. El esul ado es una imagen bina ia que mues a como píxeles ac i os aquellas zonas que po su colo se han conside ado como sang e. 7. Es e componen e se ocupa únicamen e de colec a odos los esul ados pa a pasá selos al in e az de usua io ans o mándolos de la es uc u a OpenCV Ma a o ma o Qimage/Qpixmap pa a el in e az g á ico Q . 8. Es e componen e espe a has a que los cálculos pa a ob ene la des iación es ánda 2 y 3 e minen así como la e minación del componen e de colo 4. Una ez que es os es componen es inalizan, el componen e 8 p opo ciona la señal pa a que la de ección de endas se con inúe en el componen e 5. 9. Es e se á ambién un componen e de espe a que p opo ciona á una señal al componen e de isualización solo cuando ambas, la de ección de sang e y de endas, hayan inalizado. 5 RESULTADOS Los esul ados ob enidos sob e es a p ime a e sión de la aplicación an o en la de ección de sang ado ( ig.2) como de endas ( ig.4) son muy sa is ac o ios. El algo i mo unciona en iempo eal y iene unas buenas asas de de ección. No obs an e, ac ualmen e se es á abajando pa a in oduci mejo as en la de ección de sang e in oduciendo umb ales adap a i os pa a el colo . Es o pe mi i á do a de mayo iabilidad al algo i mo cuando exis an cambios signi ica i os en la iluminación. En cuan o a la de ección de endas es a se lle a a cabo co ec amen e en la mayo ía de las imágenes incluso sob e endas ensang en adas ( ig. 6). Aunque el cálculo de des iación ípica pa ece una buena opción pa a un algo i mo de iempo eal po su e iciencia compu acional hay que indica que la in oducción de alguna o a ca ac e ís ica pe mi i ía a ina más la segmen ación. Es a es una línea que ambién se es á in es igando. Figu a 6. De ección de una enda ensang en ada en una imagen de [17]. 6 CONCLUSIONES La aplicación de p ocesamien o de imagen que se p esen a en es e a ículo se encuen a enma cada den o de un p oyec o de c eación de una pla a o ma obo izada capaz de econoce y p edeci los pasos qui ú gicos y la ana omía especí ica del pacien e pa a colabo a de o ma au omá ica con el ci ujano. En es e a ículo se p esen an los esul ados ob enidos en una p ime a aplicación de p ocesamien o de imagen pa a la de ección de si uaciones de sang ado y p esencia de endas. Se ha p es ado especial a ención a la ejecución en iempo eal log ándose una aplicación capaz de lle a a cabo la de ección con buena iabilidad. No obs an e hay una se ie de modi icaciones p e is as pa a mejo a la de ección cuando exis en a iaciones signi ica i as en la iluminación de la escena. Es as mejo as pueden in oduci se sin necesidad de p og ama manualmen e la sinc onización de nue as a eas de p ocesamien o g acias a la biblio eca In el TBB. La biblio eca además pe mi e op imiza el p ocesamien o en pa alelo adap ándose en iempo de ejecución al núme o de núcleos disponibles en el p ocesado . Ag adecimien os Es e abajo ha sido inanciado po el Minis e io de Economía y Compe i i idad, a a és del p oyec o: “Senso ized HALS. En o no senso izado pa a ci ugía lapa oscópica asis ida po la mano”. Subp oyec o den o del p oyec o coo dinado "Sis ema obo izado colabo a i o pa a ci ugía lapa oscópica asis ida po la mano". DPI2013-47196-C3-3-R. La p og amación de la aplicación se ha desa ollado den o del P oyec o num.39 de Inno ación Docen e en asigna u as de In o má ica Indus ial 2014-15 de la Uni e sidad de Valladolid. También que emos ag adece a Ka lz S o z Endoscopia Ibé ica la cesión pa a expe imen ación de un en o no de en enamien o qui ú gico que incluye un Lapa oscopic T aine , un sis ema Tele pack X con Telecam came a Head PAL y a ias óp icas. Re e encias [1] Be kelman P.and Ma J. , (2009) “A Compac Modula Teleope a ed Robo Sys em o Lapa oscopic Su ge y,” The In e na ional jou nal o obo ics esea ch. [2] Ding J., Xia Y., Liao G., Z. Zhang, S. Liu, Y. Zhang, and Z. Yan, (2014) “Hand-assis ed lapa oscopic su ge y e sus open su ge y o colo ec al disease: a sys ema ic e iew and me a-analysis,” The Ame ican Jou nal o Su ge y, ol. 207, no. 1, pp. 109–119. [3] Ghosh, T,. Fa ah, S.A. and Wahid, K.A. 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