Ποιοτική και ποσοτική ανάλυση ψηφιακών εικόνων δοντιών και τηλεματική/κινητή αξιοποίηση των αποτελεσμάτων της επεξεργασίας

Abstract

The objective of this thesis is the qualitative and quantitative analysis of Dental Digital Images and x-rays in particular and the telematics/mobile utilization of the results of the processing. The imaging modalities used in dentistry, the dental – radiographic acquisition techniques, and other techniques are presented in the thesis. Furthermore, due to the fact that images to be processed are of low resolution, image quality improvement and contrast enhancement techniques are also presented along with image registration and post processing telematics/mobile image utilization techniques.Initially, a new contrast enhancement algorithm that combines the Region Growing segmentation and the theory of Partitioned Iterated Function Systems (PIFS) is proposed. The image is initially partitioned, through the Region Growing method, into domain regions and range regions, and the PIFS enhancement algorithm is applied separately to each image segment. The defined PIFS of each section are modeled by a contractive transformation which consists of an affine spatial transform, as well as the linear transform of the gray-levels of the image segment pixels. The transformation of the gray-levels is determined by two parameters which adjust the brightness and the contrast of the transformed image segment. After the PIFS algorithm is applied to each extracted image segment, a lowpass version of the original image is created. The contrast-enhanced image is obtained by suitably combining the original image with its lowpass version. Next, the methodology used for the automatics registration of 3-D datasets is presented based on pairs of relevant points. The problem is reduced in complexity by registering only specific (characteristic) image data points instead of the whole image dataset. This reduction in the complexity of the problem allows for the calculation of the optimal registration in a direct manner without the need of optimization techniques. The characteristic image points are determined in an automatic way only in the reference image and are subsequently paired with the relevant points in the image under registration. The transformation parameters are calculated directly from the pairs of points with a least squared estimation. Next, the transformation is applied in the image under registration and the measure of match between the two images is determined. This procedure can be repeated until the required measure of match is achieved. This procedure is applied to the dental images. Finally, we propose an integrated mobile system with the use of smartphones in order to take advantage of the results of the image processing performed. Images are captured from the user himself, who has the ability to process those images, improve their contrast and request for a match. The images per se as well as the results of the processing can be transmitted to a central server, as well as can be transmitted to a specialized dentist who can have a view of the evolution of the dental disease.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ποιοτική και ποσοτική ανάλυση των Ψηφιακών Εικόνων των Δοντών και ειδικότερα ακτινογραφιών και η Τηλεματική/Κινητή Αξιοποίηση των Αποτελεσμάτων της Επεξεργασίας. Παρουσιάζονται οι απεικονιστικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην οδοντιατρική και οι τεχνικές λήψης οδοντιατρικών – ακτονογραφικών δεδομένων, αλλά και άλλες τεχνικές. Στο πλαίσιο της διατριβής παρουσιάζονται τεχνικές για τη βελτίωση της ποιότητας και της αντίθεσης οδοντιατρικών εικόνων – αφού οι εικόνες προς επεξεργασία είναι χαμηλής ανάλυσης, τεχνικές ευθυγράμμισης εικόνων και μέθοδοι τηλεματικής / κινητής χρήσης των εικόνων δοντιών μετά από τη σχετική επεξεργασία.Αρχικά, προτείνεται ένας νέος αλγόριθμος βελτίωσης της αντίθεσης που συνδυάζει την τεχνική ανάπτυξης περιοχών (Region Growing) και τον αλγόριθμο των Συστημάτων Επαναληπτικών Συναρτήσεων με Διαμέριση (Partitioned Iterated Function Systems -PIFS). Η εικόνα αρχικά τμηματοποιείται μέσω της μεθόδου ανάπτυξης περιοχών σε περιοχές domain και περιοχές range και στη συνέχεια ο αλγόριθμος PIFS βελτιστοποίησης εικόνας εφαρμόζεται ξεχωριστά σε κάθε περιοχή. Τα PIFS που ορίζονται για κάθε περιοχή μοντελοποιούνται από έναν συστολικό μετασχηματισμό (contractive transformation) που αποτελείται από έναν αφινικό χωρικό μετασχηματισμό (affine spatial transform), καθώς και τον γραμμικό μετασχηματισμό των επιπέδων του γκρι των pixels της περιοχής της εικόνας. Ο μετασχηματισμός των επιπέδων του γκρι καθορίζεται από δύο παραμέτρους που προσαρμόζουν τη φωτεινότητα και την αντίθεση της μετασχηματισμένης περιοχής της εικόνας. Αφού ο αλγόριθμος PIFS εφαρμοστεί σε κάθε περιοχή της εικόνας, δημιουργείται μια βαθυπερατή έκδοση της αρχικής εικόνας. Η εικόνα βελτιωμένης αντίθεσης λαμβάνεται συνδυάζοντας κατάλληλα την αρχική εικόνα με την βαθυπερατή έκδοσή της. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται μεθοδολογία ταύτισης που χρησιμοποιείται για αυτόματη ευθυγράμμιση τρισδιάστατων συνόλων δεδομένων και βασίζεται σε ζεύγη αντίστοιχων σημείων. Το πρόβλημα ανάγεται από την ευθυγράμμιση όλου του συνόλου των δεδομένων στην ευθυγράμμιση συγκεκριμένων χαρακτηριστικών σημείων. Η μείωση αυτή της πολυπλοκότητας του προβλήματος επιτρέπει τον υπολογισμό της βέλτιστης ευθυγράμμισης με ευθύ τρόπο χωρίς την ανάγκη χρήσης μεθόδων βελτιστοποίησης. Τα χαρακτηριστικά σημεία προσδιορίζονται με αυτόματο τρόπο μόνο στην εικόνα αναφοράς και στη συνέχεια αντιστοιχίζονται με τα ομόλογά τους στην προς ευθυγράμμιση εικόνα. Οι παράμετροι του μετασχηματισμού υπολογίζονται απευθείας από τα ζεύγη σημείων με προσέγγιση ελαχίστων τετραγώνων. Στη συνέχεια εφαρμόζεται ο μετασχηματισμός στην εικόνα προς ευθυγράμμιση και υπολογίζεται ένας δείκτης ταύτισης (measure of match) των δύο εικόνων. Η διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί ώστε να πετύχουμε τον επιθυμητό δείκτη ταύτισης. Η διαδικασία αυτή εφαρμόζεται σε εικόνες δοντιών.Τέλος, προτείνεται ολοκληρωμένο κινητό σύστημα με χρήση smartphones για την χρήση των αποτελεσμάτων επεξεργασίας των εικόνων. Οι εικόνες λαμβάνονται από τον ίδιο τον χρήστη, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να επεξεργαστεί τις εικόνες αυτές, να βελτιώσει την αντίθεσή τους και να ζητήσει ταύτιση. Οι εικόνες, αλλά και τα αποτελέσματα της επεξεργασίας μπορούν να αποσταλούν σε κεντρικό εξυπηρετητή και βέβαια να μεταφερθούν στον ειδικευμένο οδοντίατρο ο οποίος μπορεί να έχει και εικόνα της πορείας της εξέλιξης ασθενειών των δοντιών.