Calibración continua y en tiempo real de imágenes microscópicas basadas en fibras.

Un método para calibrar un sistema de obtención de imágenes que comprende detectores de imagen con funciones de transferencia no uniformes y posiciones espaciales irregulares,

donde el método comprende:

acumular datos procedentes de múltiples imágenes obtenidas por el sistema de obtención de imágenes;

definir una gráfica de afinidades cuyos bordes definen parejas de detectores que miden una señal relacionada;

realizar un análisis estadístico sobre los datos acumulados a partir de cada pareja de detectores; y

resolver un sistema construido a partir de los resultados del análisis estadístico para estimar la función de transferencia de cada detector, el conjunto de las cuales compone una calibración del sistema de obtención de imágenes.

Calibración continua y en tiempo real de imágenes microscópicas basadas en fibras CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere de manera general a un método para el procesamiento de imágenes obtenidas por medio de detectores de imagen con funciones de transferencia no uniformes y posiciones espaciales irregulares y, en particular, por medio de una guía de imágenes consistente en una pluralidad de fibras ópticas.

ANTECEDENTES

Cuando se realiza la obtención de imágenes por barrido láser mediante un haz de fibras ópticas, la salida bruta es un grupo de muestras de la señal directamente observada por el detector durante el barrido.

Como se describe en la Patente de EE.UU. N° 7.93.848, a partir de esta salida bruta se puede reconstruir en un primer momento una imagen bruta. En esta imagen bruta, a cada fibra dada pueden estar asociados varios píxeles. Cada uno de esos píxeles asociados a una fibra dada proporciona una medida diferente de la señal devuelta por el mismo volumen espacial del tejido, situado enfrente de la fibra en su extremo distal. Esta señal devuelta puede ser debida a fluorescencia, retrodispersión, o a cualquier otra radiación producida por la interacción entre la luz incidente y el tejido.

Esas diversas medidas son diferentes porque la cantidad exacta de luz de excitación inyectada en la fibra durante el barrido depende en realidad de la posición espacial del punto láser con respecto a la fibra. Además, si el punto láser se solapa con varias fibras, la medida correspondiente puede componer la señal devuelta recogida por estas fibras. Típicamente, a partir de los valores de los datos brutos, se puede hacer una estimación de la señal devuelta posiblemente asociada al volumen espacial situado enfrente de la fibra mediante un método en cierto modo ad hoc como en la Patente de EE.UU. N° 5.878.159, o con un modelo estadístico riguroso como en la Patente de EE.UU. N° 7.93.848. Esta estimación resultante es entonces la medida que se puede asociar a la fibra dada.

Habiendo hecho esto, se puede ver conceptualmente cada fibra como si actuara como un único detector, o un único píxel CCD. Pero este CCD imaginario es diferente a los CCD comunes, al menos por cuatro razones:

a. El haz de fibras no está compuesto por fibras espaciadas regularmente. Este CCD imaginario no es una cuadrícula;

b. La cantidad de luz inyectada, transmitida y a continuación recogida es también específica para cada fibra, en parte porque los diámetros de las fibras no son todos iguales y porque las ópticas del sistema proximal tienen aberraciones. Como consecuencia de ello, los píxeles de este CCD imaginario suelen tener, al menos, diferentes sensibilidades;

c. En las interfases de las fibras o dentro de las propias fibras se pueden producir algunos efectos de dispersión óptica (Rayleigh, Fresnel, Raman, etc.) y, debido a ello, también puede aparecer alguna señal, ya sea lineal o no lineal. Por esas razones, la señal devuelta recogida procedente de una fibra no es nula incluso si no hay señal objeto producida directamente por el tejido. Asimismo, este valor de fondo es diferente para cada fibra; y

d. Además, esos tres fenómenos mencionados anteriormente pueden variar con el tiempo. Por ejemplo, en el contexto de la obtención de imágenes por fluorescencia, si las fibras presentan algo de autofluorescencia, generalmente su intensidad disminuirá debido al fotoblanqueo ("photobleaching').

En resumen, después de la asociación de píxel bruto a fibra, cada fibra se puede ver como un detector de un único píxel con una función de transferencia específica (por ejemplo, desplazamiento -``offset- específico y ganancia o sensibilidad específica). Por lo tanto, el sistema de obtención de imágenes es irregular en el sentido de que las funciones de transferencia son variables en el tiempo y no uniformes, es decir, dependen del píxel, y en el sentido de que los píxeles están situados de manera irregular en el dominio espacial. En lo que sigue, para mayor claridad, nos referimos a estos detectores conceptuales como fibras, pero debería ser evidente que la explicación no tiene por qué estar restringida a fibras físicas reales.

En la Patente de EE.UU. N° 5.878.159 la obtención de imágenes por medio de un haz de fibras ópticas se realiza con un haz de fibras coherentes, es decir, un haz de fibras en el cual la disposición espacial de las fibras se mantiene a lo largo de toda la longitud del haz. En otros escenarios puede ser ventajoso utilizar un haz de fibras incoherentes. En este caso, la asociación de píxel bruto a fibra también tiene que tener en cuenta la correspondencia dentro-fuera de la fibra, de modo que todavía se pueda ver cada fibra como un detector de un único píxel cuya posición espacial con respecto a las otras fibras en el extremo distal es conocida. La recuperación de la correspondencia dentro-fuera de la fibra se puede realizar por diferentes medios, tales como los presentados en Lazara et al., Sensors, 29, o en Demuynck y Menendez, WSEAS Transactions on Signal Processing. 28. Las Patentes de EE.UU. N° 7.93.848 y N° 5.878.159 proponen diferentes medios de procesamiento de datos obtenidos por detectores con funciones de transferencia de las fibras no uniformes. La Patente de EE.UU. N° 5.878.159 sólo describe una invención en la cual las funciones de transferencia de las fibras son funciones lineales simples (la señal devuelta por la fibra se modela como el producto de la señal objeto por una constante de ganancia dependiente de

la fibra). Por lo tanto esa patente no aborda el caso en el cual la señal de fondo puede no ser nula cuando la señal objeto es nula. La Patente de EE.UU. N° 7.93.848 describe un método de procesamiento de Imágenes que realiza un ajuste basado en funciones de transferencia afines de las fibras. Esto se puede conseguir obteniendo dos Imágenes, una en un medio de fondo homogéneo (por ejemplo, aire o agua) y una en un medio homogéneo que tenga una señal objeto fuerte (por ejemplo, una solución fluorescente en el caso de un microscopio fluorescente). A continuación, a partir de estas dos imágenes se deducen las funciones de transferencia afines de la fibra (es decir, los desplazamientos y las ganancias). Se debería observar que aunque, para mayor claridad, nos referimos a estas imágenes de referencia como si fueran obtenidas en medios homogéneos, en otros contextos pueden simplemente corresponder a señal objeto homogénea (por ejemplo, imágenes de campo plano).

Los sistemas de obtención de imágenes basados en fibras se utilizan habitualmente, por ejemplo, para realizar endomicroscopía, es decir, endoscopia a nivel microscópico. En un contexto clínico como este, obtener las dos imágenes requeridas por la Patente de EE.UU. N° 7.93.848 antes de cada uso del sistema de obtención de imágenes, es decir, antes de cada procedimiento de endomicroscopía, es problemático. Es más, poner el extremo distal del haz de fibras en el interior de un medio homogéneo podría poner en riesgo la limpieza o asepsia de la fibra que puede entrar en contacto con el paciente y, al mismo tiempo, podría hacer más engorroso el procedimiento para el médico. También debería ser evidente que, en otros casos de uso, encontrar el medio homogéneo correcto podría no ser trivial. Para abordar este problema pero poder todavía realizar un ajuste basado en funciones de transferencia afines de las fibras, la Solicitud de Patente PCT N° PCTIB29812 describe una invención en la cual antes del procedimiento sólo se obtiene la imagen de fondo, típicamente en el aire. Esta imagen de fondo se mapea a continuación de forma automática a datos (por ejemplo, imágenes de fondo y de señal objeto fuerte) que se han obtenido antes del procedimiento (por ejemplo durante la fabricación) y que están almacenados junto con el sistema de obtención de imágenes (por ejemplo en un ordenador de control). A partir de la imagen de fondo obtenida ¡n situ y de los datos previamente mapeados, la Solicitud de Patente PCT N° PCTIB29812 deduce las ganancias y los desplazamientos de las funciones de transferencia afínes de las fibras. El sistema de obtención de imágenes comprende típicamente una unidad perdurable (por ejemplo, la unidad de barrido láser) y un accesorio desechable (por ejemplo un haz de fibras). En la estrategia de la Solicitud de Patente PCT N° PCTIB29812, típicamente sólo el accesorio desechable estará disponible durante la fabricación para obtener los datos necesarios para el procesamiento de imágenes in situ, mientras que la unidad perdurable permanecerá en la ubicación del usuario final. Asimismo, debería ser evidente que cualquier dato obtenido durante la fabricación permanecerá constante en el tiempo aunque... [Seguir leyendo]

1. Un método para calibrar un sistema de obtención de imágenes que comprende detectores de imagen con funciones de transferencia no uniformes y posiciones espaciales irregulares, donde el método comprende:

acumular datos procedentes de múltiples imágenes obtenidas por el sistema de obtención de imágenes; definir una gráfica de afinidades cuyos bordes definen parejas de detectores que miden una señal relacionada;

realizar un análisis estadístico sobre los datos acumulados a partir de cada pareja de detectores; y resolver un sistema construido a partir de los resultados del análisis estadístico para estimar la función de transferencia de cada detector, el conjunto de las cuales compone una calibración del sistema de obtención de imágenes.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el análisis estadístico comprende regresiones.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual la calibración se realiza en cuanto un cuantil de un coeficiente de correlación asociado a una regresión sobre los datos acumulados alcanza un umbral.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual se realiza una calibración adaptatlva variable en el tiempo cambiando una ventana de acumulación de datos.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual se realiza calibración de manera continua en cuanto un cuantil de un coeficiente de correlación asociado a una regresión sobre los datos acumulados alcanza un umbral.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los datos acumulados se componen a partir de imágenes sucesivas para las cuales un coeficiente de correlación calculado entre dichas imágenes sucesivas alcanza un umbral.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en el cual diferentes parámetros de las funciones de transferencia del detector se actualizan en instantes diferentes dependiendo del contenido de los datos acumulados.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la calibración se inicializa con la ayuda de imágenes de referencia, en particular una imagen de fondo.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual cada calibración se puede grabar y restaurar para otras inicializaciones.

1. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la gráfica de afinidades se construye a partir de Información de vecindad, en particular, basándose en la triangulación de Delaunay de la posición espacial de los detectores.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además la utilización de la calibración para reconstrucción de imagen.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los datos se pre-procesan o se filtran antes de realizar el análisis estadístico de los detectores unidos.

13. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los cálculos se estabilizan utilizando información previa, medidas de bondad del ajuste obtenidas de regresiones, o métodos de cálculo robustos.

14. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual los cálculos se estabilizan utilizando información previa sobre las restricciones de evolución temporal o de suavidad temporal.

15. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en el cual se utiliza un modelo de una evolución temporal del fondo para actualizar la estimación inicial del fondo.

16. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la calibración se calcula fuera de línea o en tiempo diferido.

17. El método de acuerdo con la reivindicación 16, en el cual, para calcular la calibración, se combinan varias secuencias diferentes de imágenes.

18. Un sistema de obtención de imágenes para obtención de imágenes, que comprende detectores de imagen con funciones de transferencia no uniformes y posiciones espaciales irregulares y un aparato para implementar un método de calibración de dicho sistema de obtención de imágenes, comprendiendo el aparato:

medios para acumular datos procedentes de múltiples imágenes;

medios para definir una gráfica de afinidades cuyos bordes definen parejas de detectores que miden señal relacionada;

medios para realizar análisis estadístico sobre los datos acumulados procedentes de cada pareja de detectores; y

medios para resolver un sistema construido a partir de los resultados del análisis estadístico para estimar la función de transferencia de cada detector, el conjunto de las cuales compone una calibración del sistema de obtención de imágenes.

19. El sistema de obtención de imágenes de acuerdo con la reivindicación 18, que comprende además medios para grabar y cargar calibraciones calculadas.

2. El sistema de obtención de imágenes de acuerdo con la reivindicación 18, que comprende:

una guía de imágenes que comprende una pluralidad de fibras ópticas, actuando cada fibra como un único detector de imagen.

21. El sistema de obtención de imágenes de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual el sistema de obtención de imágenes es un sistema de obtención de imágenes microscópico, en particular por fluorescencia estándar, por fluorescencia de dos fotones, por Generación de Segundo Armónico (SHG) o por Dispersión Coherente de Raman Antistokes (CARS).

22. El sistema de obtención de imágenes de acuerdo con la reivindicación 21, en el cual el sistema de obtención de imágenes tiene varias bandas de obtención de imágenes, en particular bandas espectrales.