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

Abstract

Se presenta una aplicación de procesamiento de imagen para un entorno robotizado destinado a asistir a un médico en operaciones de cirugía laparoscópica. Durante la operación el robot, a través del sistema de visión, deberá detectar cuándo aparece una situación de sangrado dentro de la cavidad abdominal con objeto de ayudar al cirujano a atajar esta situación. El sistema de procesamiento de imágenes se ha ampliado también a la detección de vendas para garantizar que se retiran todas al finalizar la operación. Con objeto de permitir un procesamiento en tiempo real de las imágenes de vídeo, el sistema desarrollado realiza un procesamiento en paralelo dividiendo las diferentes tareas entre todos los núcleos existentes en el procesador empleando la biblioteca Intel TBB.

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

Author: Derwael, Dylan,García, Rubén,Fuente López, Eusebio de la,Miguel Trespaderne, Félix,Fraile Marinero, Juan Carlos,Pérez Turiel, Javier,Santos, Lidia
Publisher: CEA_IFAC. Comisión de Bioingeniería
Year: 2015
Source: https://uvadoc.uva.es/bitstream/10324/12004/1/ja2015Bilbao2.pdf
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
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