ES2260839T3 - Sistemas de analisis de imagenes y dispositivos para uso de los mismos. - Google Patents

Sistemas de analisis de imagenes y dispositivos para uso de los mismos.

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ES2260839T3
ES2260839T3 ES98932325T ES98932325T ES2260839T3 ES 2260839 T3 ES2260839 T3 ES 2260839T3 ES 98932325 T ES98932325 T ES 98932325T ES 98932325 T ES98932325 T ES 98932325T ES 2260839 T3 ES2260839 T3 ES 2260839T3
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Stephen Cyril Joyce
Shail Patel
Derwent Swaine
Roger Fowler
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Abstract

Un dispositivo portador para su uso en una prueba de sus actividad de antibiótico ("AST"), portando el dispositivo de manera liberable un antibiótico relacionado con la prueba, y por tanto información concerniente al antibiótico, donde el dispositivo es un disco AST, caracterizado porque la información comprende un código legible por máquina de una o más letras y uno o más numerales y porque el dispositivo también incluye medios de orientación para permitir que un analizador de imágenes determine una dirección de lectura óptima de la información legible, comprendiendo los medios de orientación medios diferentes a dicho código.

Description

Sistemas de análisis de imágenes y dispositivos para uso de los mismos.
Campo de la invención
Esta invención se relaciona con análisis de imágenes en la lectura de información, tales como códigos de reactivos, especialmente en el contexto de dispositivos utilizados en la prueba de susceptibilidad a antibióticos de microorganismos.
Antecedentes de la invención
Durante muchos años, la prueba de susceptibilidad a antibióticos ("AST") ha sido utilizada como un medio para identificar grupos o especies particulares de microorganismos, o para identificar un tipo de antibióticos o niveles de dosis más apropiados para tratar una infección clínica. Un procedimiento estándar internacionalmente reconocido ha sido desarrollado utilizando dispositivos transportadores, usualmente en forma de discos de membrana, impregnados con cantidades conocidas de antibióticos específicos. Estos discos se usan con placas de Petri que contienen una capa de medio de crecimiento, tal como gel de agar, al cual se aplica el material que contiene los microorganismos. Una disposición de discos individuales que contienen diferentes cantidades o tipos de antibióticos se coloca sobre la superficie del gel a intervalos espaciados. Usualmente se colocan de de 6 a 8 discos en un dispositivo circular sobre la placa de Petri. Los discos son usualmente de papel o de otra material laminar poroso. El antibiótico se difunde desde cada disco hacia el medio de crecimiento que le rodea y establece un gradiente de concentración radial alrededor del disco. La susceptibilidad relativa de los microorganismos al antibiótico se revela por el diámetro de la zona que rodea el disco dentro de la cual se ha inhibido el crecimiento de los microorganismos. La morfología detallada de la zona puede ser indicativa de las especies o géneros de microorganismos presentes. La interpretación visual de los resultados requiere por lo tanto de considerable experiencia y habilidad, especialmente si las zonas adyacentes de inhibición son lo suficientemente grandes como para superponerse
El AST Se aplica en una gran escala a nivel mundial, especialmente en laboratorios clínicos. Con el fin de acelerar y simplificar la lectura de tales pruebas, se han hecho diversas propuestas que incluyen la evaluación de los resultados utilizando equipos de análisis de imágenes, por ejemplo que comprenden una cámara de vídeo conectada a medios de procesamiento de información electrónica tales como un microprocesador. Los sistemas de lectura de este tipo son disponibles comercialmente. Sin embargo, aún con los equipos disponibles hoy, aún hay necesidad de una participación humana experimentada y considerable.
Debido a que cada placa de cultivo puede transportar normalmente un buen número de discos cada uno de los cuales puede estar impregnado con una diferente cantidad de antibiótico, o en efecto posiblemente un antibiótico diferente del de los otros discos sobre la placa, es absolutamente esencial que la identidad de cada disco sea determinada precisamente. De acuerdo con una recomendación estándar de la Organización Mundial de la Salud, este código comprende una combinación de letras y numerales que puede ser leída fácilmente por el ojo humano. Los sistemas de imágenes "automatizados" disponibles actualmente, requieren que el operador lea el código sobre cada disco a simple vista, e introduzca esa información manualmente en el procesador electrónico, por ejemplo por medio de un teclado. Aunque existen lectores ópticos de caracteres que pueden convertir las letras y numerales impresos en información electrónica, los caracteres impresos deben ser alineados apropiadamente por el equipo de lectura si el lector de caracteres ópticos va a reconocer los caracteres individuales correctamente. Los discos utilizados en AST se aplican usualmente a las placas por medio de aplicadote mecánicos que liberan discos individuales desde un dispositivo de magazines, conteniendo cada uno un apilamiento de discos idénticos. No se ha hecho ningún intento para controlar la orientación de los códigos sobre los discos que caen desde el aplicador sobre la superficie de la placa. Los discos se encuentran normalmente sobre la plata o sus códigos impresos orientados de una forma fundamentalmente aleatoria.
La US-A-5 618 729 describe un sistema para determinar el radio de la zona de inhibición que rodea cada uno de los discos de antibióticos sobre una placa. El sistema comprende una cámara de vídeo y un analizador de imágenes capaces de determinar la localización de cada disco sobre la placa y determinar el radio de la zona de inhibición. Cada disco es identificado (asociado con el antibiótico respectivo) por su posición relativa sobre la placa.
Descripción general de la invención
Mediante la invención proveemos un sistema de análisis de imágenes mejorado para su uso en AST en el cual cada disco porta, además del código del reactivo, un medio por el cual el analizador de imágenes puede determinar la orientación del código con respecto a una dirección óptima de lectura para ese código. En efecto, el código o su imagen son puestos en alineación canónica con respecto a los medios provistos para la lectura del código. Por ejemplo, cada disco puede ser impreso con una línea continua simple, dispuesta por ejemplo en paralelo a la dirección óptima de lectura del código. La línea simple puede ser reconocida por el analizador de imágenes, y el procesador electrónico puede ser programado para ajustar la dirección real de lectura para que esté en concordancia con una dirección predeterminada con respecto a la línea observada, por ejemplo paralela a la línea observada y por lo tanto en la dirección óptima para una lectura exacta de los caracteres del código. Los discos individuales en la disposición pueden ser leídos en sucesión, ajustando la dirección de lectura según sea apropiado. El hecho de que los códigos de los discos individuales puedan ser dispuestos de una forma aleatoria tanto en relación con la dirección inicial de lectura, como en relación entre uno y otro, carece de importancia debido a la capacidad del equipo de lectura para comparar la dirección de lectura con la dirección apropiada para cada disco individual.
La invención provee un dispositivo portador para su uso en una prueba de susceptibilidad al antibiótico ("AST"), portando el dispositivo de manera liberable un antibiótico relacionado con la prueba, y llevando información que concierne al antibiótico, donde el dispositivo es un disco AST, caracterizado porque la información comprende un código legible por máquina de una o más letras y uno o más numerales y porque el dispositivo también incluye medios de orientación para permitir que un analizador de imágenes determine una dirección de lectura óptima de la información legible, comprendiendo los medios de orientación otros medios diferentes a este código. Por ejemplo, los medios de orientación pueden comprender información dispuesta linealmente. De manera conveniente, esta información dispuesta linealmente es paralela a la dirección óptima de lectura del código del reactivo. Un ejemplo de una forma muy adecuada de información dispuesta linealmente es una línea impresa. Discontinuas o múltiples, las líneas pueden ser usadas si se desea. Alternativamente, los medios de orientación pueden comprender uno o más rasgos reconocibles, por ejemplo, dos indentaciones diametralmente opuestas en la circunferencia del disco, definiendo entre ellas un eje desde el cual el medio de lectura puede determinar la orientación de lectura correcta del código de disco. Con el fin de que los medios de lectura puedan distinguir correctamente si el código está hacia arriba o hacia abajo, aún cuando esté correctamente alineado, los medios de orientación pueden por ejemplo ser definidos con respecto a la dirección de lectura de una manera que permita que los medios de lectura determinen de qué forma debe estar el código hacia arriba. Por ejemplo, los medios de orientación pueden ser una línea impresa debajo del código, esto es, un "subrayado". Así, deseablemente, la línea u otros medios de orientación son dispuestos desde el centro del disco de manera que el disco no pueda ser inadvertidamente "leído" de arriba hacia abajo.
Una modalidad importante de la invención es un disco de AST que porta un código de multicaracteres impreso y que incorpora medios de orientación mediante los cuales los medios de lectura del código pueden determinar la orientación del código de multicaracteres y pueden ajustar según se requiera la orientación, bien del código impreso o de una imagen del mismo, para poner la orientación percibida en alineación con la que sea necesaria para una lectura apropiada del código de multicaracteres. Preferiblemente, dichos medios de lectura comprenden medios de cámara y medios de análisis de imágenes.
Preferiblemente dichos medios de orientación comprende un subrayado impreso por debajo del código de multicaracteres.
Otra modalidad de la invención es un sistema de análisis de imágenes para interpretar las placas de AST, cada una de los cuales porta una pluralidad de dispositivos de soporte cada una de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo el sistema;
medios de soporte (100) para soportar una placa AST;
medios de cámara (104, 105) para tomar imágenes de una placa (101) soportada por dichos medios de soporte (100); y
medios de procesamiento de información electrónica (106), preferiblemente una red neural, conectada con dichos medios de cámara, caracterizados porque el medio de procesamiento es programado fue entrenado para aparte localizar un disco AST sobre dicha placa de entre la pluralidad de discos AST,
medios para identificar la orientación sobre el disco localizado, y rotar la imagen percibida del disco según se requiera de manera que la imagen percibida de un código multicaracteres impreso sobre disco expuesta en alineación con una dirección de lectura apropiada para el código, y lectura del código.
interpretar de la imagen percibida de la zona de inhibición.
Deseablemente, el sistema de análisis de imágenes determina adicionalmente una característica visible, tal como el diámetro, de la zona de inhibición (si la hay) que rodea el disco, y asocia esta característica con el código. Esta determinación puede ser llevada a cabo antes, durante, o después de la lectura del código.
Preferiblemente, los medios de procesamiento de la información electrónica incluyen o están conectados a un "sistema experto" que comprende una base de datos de características AST de microorganismos conocidos. Éste puede incluir un número de "reglas de expertos" para interpretar la imagen percibida de la zona de inhibición
La invención por lo tanto provee un sistema de lectura AST o similares que tiene la capacidad automática de leer el código reactivo, relacionar este código a un reactivo/concentración específico, y une esta información con un conjunto de "reglas de expertos" y una base de datos. Ningún sistema de lectura comercialmente disponible tiene esta capacidad
Puede no ser necesario que el sistema de lectura lea el código sobre cada disco sobre la placa. Puesto que la mayoría de los procedimientos de prueba son muy repetitivos y están estandarizados, el sistema puede ser preprogramado para esperar ciertas combinaciones de códigos de disco sobre una placa, por ejemplo una secuencia de rutina de discos dispuesta alrededor de la circunferencia de la placa. Cuando el sistema ha identificado los códigos sobre, por ejemplo, todos los discos, esto puede ser suficiente para que el sistema compare la disposición con una disposición de discos esperada y por lo tanto busca de su memoria la identidad del reactivo sobre los discos restantes "no leídos" de la placa. Si es necesario, el operador puede introducir esta información dentro del sistema de lectura cuando los discos son aplicados a un lote de placas, o cuando un dispensador de discos se carga con discos listos para el uso.
Un ejemplo de una morfología de una zona importante es la actividad de la beta-lactamasa, la cual se manifiesta a sí misma visiblemente por el crecimiento de manchas de minicolonias de microorganismos dentro de la zona.
Es conveniente si el sistema de análisis incluye medios de despliegue para desplegar la imagen del disco.
El ajuste de la dirección de lectura puede ser obtenido rápidamente, por ejemplo, presentando la placa sobre un soporte o portador rotatorio a los medios de lectura, de manera que el eje de rotación del soporte sea ortogonal al plano de lectura. Después de identificar el medio de orientación, los medios de lectura pueden hacer que el soporte o portador rote alrededor de éste, según sea necesario, hasta que los medios de orientación sean puestos en una alineación predeterminada, y el código del disco pueda ser leído. Alternativamente, la placa puede permanecer en una localización constante y la cámara u otro medio de lectura puede ser rotado según sea necesario para poner el la imagen del código en una alineación de lectura correcta. Como una alternativa adicional, tanto la placa como el medio de lectura pueden permanecer localizados constantemente, y el procesador de información electrónica puede ser programado o "entrenado" para rotar la imagen vista por los medios de lectura hasta que se alcanza el alineamiento apropiado. También puede ser apropiado rotar bien sea la cámara o una placa para poner miembros separados de una pluralidad de discos sobre la placa a la vista, para su lectura en sucesión. Pueden usarse geometrías alternativas para ajustarse con otros discos y con otros dispositivos de información, tales como una disposición lineal de dispositivos portadores que llevan reactivos, aunque tales disposiciones no se usan actualmente como práctica estándar dentro de la industria relacionada con la microbiología. La invención también provee un analizador de imágenes para su uso en la determinación de resultados de la prueba de susceptibilidad a antibióticos de microorganismos sobre un medio de cultivo, comprendiendo:
a) medios de cámara (104, 105) para observar el medio de cultivo;
b) medios de procesamiento de información electrónica (106), unidos a dichos medios de cámara (104, 105), programados o entrenados para interpretar cualquier región de crecimiento de microorganismos visiblemente alterada en la vecindad de un dispositivo de prueba de susceptibilidad, comprendiendo un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, presente en el medio de cultivo, caracterizado por el dicho medio de procesamiento también está programado o entrenado para leer el código de caracteres sobre el dispositivo indicativo del reactivo de susceptibilidad en el dispositivo y para interpretar medios de orientación incorporados en o sobre el dispositivo, mediante los cuales pueda reconocerse la dirección óptima de lectura del código de caracteres, y para ajustar, según sea necesario, la dirección de lectura real para ponerla en línea con la orientación real del código de caracteres sobre el dispositivo.
La lectura de códigos de caracteres está basada en el reconocimiento de patrones. Un equipo de procesamiento electrónico sofisticado, que puede utilizar redes neurales, está disponible ahora y puede ser programado o entrenado para cubrir las demandas impuestas por el sistema de lectura ajustable de la invención. Si es necesario, el código de caracteres sobre el disco puede ser impreso utilizando una fuente escogida para coincidir con la capacidad de lectura del medio de lectura. Sin embargo, a medida que la tecnología de reconocimiento óptico de caracteres (OCR) avanza, puede disminuir la necesidad de utilizar una fuente específica.
Será evidente que aunque el estándar presente de la industria involucra el uso de discos circulares como transportadores para los antibióticos, la forma de este portador es puramente incidental en cuanto a la invención se refiere. Pueden escogerse si se desea otras formas de portadores.
Descripción específica de una modalidad preferida
A manera de ejemplo solamente, se ilustra un sistema para determinar los resultados de una prueba de susceptibilidad de antibióticos en los dibujos acompañantes y se describe en detalle más abajo.
1. Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 ilustra la disposición general de un sistema de lectura de placa de AST de acuerdo con la invención. Las figuras 2a a 2c muestran la secuencia involucrada en la lectura óptica de un carácter en el código de un disco AST.
La Figura 2a muestra una imagen típica de un carácter según es vista por la cámara.
La Figura 2b muestra un mapa con segmentos de bits del carácter.
La Figura 2c muestra un vector finalizado que representa el carácter. El carácter es reconocido como una "A".
Las Figuras 3a a 3c muestran las etapas en la orientación correcta del código del carácter por medio de un subrayado. La Figura 3a muestra una imagen "gris" del disco.
La Figura 3b muestra una imagen binaria del código de disco.
La Figura 3c muestra la imagen rotada del código.
Las Figuras 4a a 4c muestran la secuencia involucrada en localizar la posición de los discos sobre una placa adyacente.
La Figura 4a muestra una imagen "gris" de la placa a ese tipo.
La Figura 4b muestra la imagen binaria de discos detectados.
La Figura 4c muestra la imagen binaria de la zona de inhibición.
Las Figuras 5a y 5b muestran un resultado típico de la determinación de los radios de la zona de inhibición de acuerdo con la invención.
La Figura 5a muestra una imagen típica de un disco con una gran superposición de las zonas de inhibición.
La Figura 5b muestra las circunferencias percibidas por el ordenador de la zona después de que los radios hayan sido ajustados a las imágenes de zona.
Las Figuras 6 a/b y 7 a/b muestran los resultados de otros experimentos comparables con los mostrados en las Figuras 5a/b.
Con referencia a la Figura 1, el aparato comprende una platina o portador controlado por un ordenador 100 para una caja de Petri 101. La placa de Petri es iluminada por dos fuentes de luz 102 y 103 y puede ser vista por dos cámaras, una de las cuales (104) tiene alta magnificación y la otra (105) tiene menor magnificación. Cada cámara está conectada un sistema de análisis de imágenes 106. Como se muestra esto comprende una consola de ordenador 107, un teclado 108, una unidad de pantalla visual 109. El portador, las fuentes de luz y equipamiento de cámara están contenidos normalmente dentro de un estuche o cubierta (no mostrados).
Las Figuras 2 a 7 se refieren a lugares apropiados en la siguiente descripción detallada del sistema de lectura de la invención.
2. Análisis de imágenes 2.1 Captura de imágenes
La cámara provee una señal análoga que representa la escena que está siendo vista por la cámara. Esta señal es digitalizada y almacenada en la memoria del ordenador como una disposición de números, donde cada elemento de la disposición representa un elemento de imagen (pixel), y su valor representa el brillo de la imagen en este punto en la escena original. Típicamente, el negro tiene un valor de cero y el blanco puro un valor de 255. Una vez que la imagen ha sido capturada, será tratada como datos de computador y manipulada por programas de computador. La imagen puede ser desplegada en una pantalla de ordenador utilizando los valores pixel para controlar el brillo de la pantalla y el resultado recuerda el del la imagen análoga original.
2.2 Umbral para segmentar una imagen
Determinar el umbral es el proceso donde todo los píxeles con valores entre dos límites son llevados a un blanco máximo y todos los demás son puestos en cero. Usamos el umbral para separar los objetos (blanco) del fondo (negro) de manera que se pueda medir los parámetros tales como el tamaño de cada objeto. Es un proceso muy rápido para implementar-el problema es definir los límites de manera que sólo los rasgos de interés sean extraídos. En esta aplicación, el umbral se usó para extraer los discos impregnados, la zona de inhibición y los códigos de carácter. Los umbrales correctos son críticos para el método presentado aquí y requieren de un algoritmo para definir el umbral automáticamente de manera que pueda tolerar variaciones significativas en el brillo de las imágenes
2.3 Determinación automática del nivel de umbral
Los niveles de brillo requeridos para definir exitosamente el umbral de los diversos componentes de las imágenes en placas de AST son afectados, por ejemplo, por el tipo de medio de crecimiento y bacterias, así como por el nivel de iluminación. Para que la medición global sea automática, es esencial un método para calcular el nivel de umbral a partir de la imagen. El método implementado es bastante robusto, proveyendo segmentación exitosa bajo un amplio rango de condiciones y sin intervención del operador.
Hay muchos métodos para la determinación automática del umbral, que pueden ser utilizados para los propósitos de la invención. Hemos escogido un método basado en el reportado por Kittler et al, Computer Visión, Vol 30, 125-147 (1985). Asume que todos los píxeles en una imagen pueden ser asignados a uno de los grupos de objetos sobre la base de su intensidad. Los bordes del objeto en la imagen deberían siempre definir la frontera entre las dos regiones. Usando la imagen del borde como una máscara de muestreo, es posible estimar el mejor valor medio de pixel que separará a las dos regiones. Kittler et al mostraron que esto podría hacerse matemáticamente como sigue:
Hacer la imagen del borde de la imagen de entrada (E)
Multiplicar la imagen de entrada por la imagen del borde (M)
Dividir la suma de los valores de pixel (M.) por los de (E) para dar el valor de umbral
3. El método
La disposición física del equipo consistía de dos cámaras (CCD) de dispositivo de carga acoplada en estado sólido (Hitachi KPM1) con lentes de longitud focal fija de 50 mm y 12.5 mm respectivamente, que observaban la placa verticalmente desde arriba-, como se ve en la Figura 1.
Cada placa estaba posicionada sobre un soporte rotatorio con una trampa negra de luz por debajo. Esto ayudaba a maximizar la diferencia entre el crecimiento microbiano y las zonas de inhibición.
3.1 Búsqueda de los discos
Se captura una imagen a baja magnificación de la placa de AST. La placa puede ser presentada en cualquier orientación, de manera que las posiciones de los discos de antibióticos son desconocidas y la primera tarea es encontrarlos.
Los discos son más brillantes que la mayoría de las partes de la imagen y el nivel de umbral requerido para seleccionarlos es determinado utilizando el algoritmo automático. La imagen resultante contiene los discos, pero también puede contener algunos artefactos. Puesto que el tamaño de los discos es bien conocido (diámetro de 6 mm), todo los objetos significativamente mayores o menores que los discos pueden ser rechazados.
Los centros de gravedad de los discos se miden y revisan para asegurar que están conformes con un patrón esperado (por ejemplo, octagonal para ocho discos) dentro de una tolerancia predefinida. Si las posiciones de los discos fallan esta prueba, es posible que un disco haya sido desplazado y que no esté más en el centro de su zona de inhibición, o que uno de los objetos detectados no sea un disco.
3.2 Búsqueda y medición de la zona de inhibición
La zona de inhibición se espera que esté en la parte más oscura de la imagen. De nuevo se utiliza el umbral automático, pero con un nuevo nivel de umbral para crear una imagen que consiste de las zonas de inhibición. La imagen resultante puede ser muy compleja puesto que, además de las zonas de inhibición, puede haber objetos adicionales creados por vacíos en la espiral de recubrimiento o un daño físico en el medio de crecimiento. A diferencia de la tarea de encontrar los discos, no hay una manera fácil de rechazar las partes que no son zonas de inhibición. Sin embargo, el siguiente método para procesar la imagen trabaja bien bajo un amplio rango de condiciones típicas y adversas. En esencia, monitorea que también un círculo puede ajustarse dentro de la zona de inhibición alrededor de cada disco como una función del radio del círculo, aceptando el radio en el cual los criterios de ajuste cambian rápidamente desde buenos hasta malos.
Considérese un círculo de radio R., centrado sobre uno de los discos, donde todo los píxeles en la imagen de "zonas" que caen directamente bajo el círculo son contados, dando el valor C; el círculo consiste de C_{max} píxeles. Si el círculo cae completamente dentro de la zona, el valor de C debería ser casi el mismo de C_{max} y la relación C/ C_{max} debería ser cercana a 1. Si el círculo cae por fuera de esta área de zona principal, C será relativamente pequeño y C/ C_{max} será mucho menor de 1. Un valor que no sea cero por fuera de la zona puede presentarse debido la intersección con zonas adyacentes, vacíos en la espiral de recubrimiento o algún otro artefacto en las zonas de la imagen. Cuando el radio es tal que el círculo cae cerca al borde de la zona, C/ C_{max} estará en algún valor intermedio, y caerá rápidamente hacia valores pequeños de radio.
El algoritmo consiste en la medición de la relación C/ C_{max} como función del radio, dando permisividad a cualquier parte del círculo que caiga por fuera de los límites de la placa de muestra, encontrando luego el punto del cual la relación C/ C_{max} disminuyó más rápidamente. Esto se corresponde bien con la ubicación visual del mejor círculo de ajuste.
Las pruebas llevadas a cabo sobre un amplio rango de muestras, y sobre un amplio rango de condiciones de iluminación, mostraron que este método produce resultados consistentemente estables. Las fallas fueron raras e inevitablemente debidas a una pobre segmentación de las zonas. Las Figuras 5a y 5b muestran el comportamiento de una muestra con alta superposición. Otro ejemplo se ve en las Figuras 6a/b.
La tabla 1 muestra los resultados de probar la reproducibilidad de los radios ajustados, utilizando una selección aleatoria de orientaciones de placas de muestra. La desviación estándar es la incertidumbre en un valor de radio sencillo, que es el caso usual aquí. Por lo tanto la precisión del método es aproximadamente \pm0.2 mm.
TABLA 1 Pruebas de reproducibilidad sobre la medición del tamaño de zona
Disco Radio medio (mm) Desviación estándar Error estándar
1 16.5 0.14 0.04
2 8.0 0.35 0.11
3 15.7 0.12 0.04
4 19.9 0.16 0.05
5 20.8 0.22 0.07
6 11.2 0.05 0.02
3.3 Búsqueda y lectura de los códigos de disco
Los discos fueron preparados con las siguientes características de código con el fin de simplificar la tarea de reconocimiento de códigos:
fuentes "sans serif" mono espaciadas: espacio consistente entre los caracteres que permite las revisiones que podrán resolver los problemas causados por caracteres rotos e incompletos. La ausencia de serifs reduce la posibilidad de unirse con caracteres adyacentes.
barra de subrayado: esta es una pequeña línea recta por debajo de los caracteres de código. Provee un objeto que define la orientación del código impreso de manera que la imagen pueda rotarse hacia una orientación consistente, simplificando significativamente el reconocimiento del código.
Una imagen de cada disco es capturada por la cámara de alta magnificación porque la imagen de baja magnificación no provee resolución suficiente para detectar los caracteres. El umbral automático es usado para extraer solamente los códigos impresos de la imagen introducida. Todos los objetos son medidos y los caracteres se encuentran como el objeto con la mayor relación longitud/anchura. Utilizando la orientación del subrayado, el ángulo de rotación es calculado para presentar los caracteres en la configuración normal hacia arriba. La rotación de los códigos de caracteres se discute más adelante. La revisión se hace sobre los octetos individuales de manera que las partes de un carácter fragmentado se agrupan correctamente entre sí. Una región de 32 x 32 píxeles alrededor de cada carácter potencial es reducida a 16 x 16 píxeles y se pasa al módulo de red neural para su interpretación.
El módulo de red neural entrega una lista de tres caracteres, dando los tres caracteres más cercanos al patrón suministrado. Los datos también son provistos de manera que estiman la confianza en el proceso de comparación. Los caracteres producidos se comparan con cada uno de los objetos detectados y se utilizan para construir el código total para el disco bajo examen. Utilizando los datos de confidencia y las tres posibilidades para cada carácter, se genera una lista de códigos posibles y se revisa contra una base de datos de códigos válidos. Esto permite que el proceso automatizado recupere errores menores, tal vez causados por pobre definición de los caracteres, aún por errores de bandera significativos.
3.4 Rotación de imágenes de código de caracteres
El subrayado se utiliza para calcular la orientación de los códigos de carácter, y por lo tanto el ángulo de rotación para alcanzar una orientación normal hacia arriba. La orientación del subrayado da dos soluciones que se separan entre sí 180º, estableciéndose la correcta mediante el cálculo de dónde están los objetos, con respecto al subrayado. Es posible que el subrayado sea fracturado si la calidad de la impresión es pobre, o el nivel de umbral es establecido erróneamente. Cuando esto sucede, el fragmento más grande puede ser aún suficientemente grande para registrarse como subrayado. Si no, uno de los objetos de carácter será escogido en su lugar y el ángulo de rotación será erróneo. Las revisiones sobre las posiciones de los objetos caracteres revelarán el error y se evitará el procesamiento posterior.
El carácter subrayado, y sus componentes si están fracturados, no deben ser tratados como si fueran objetos. Esto se logra removiendo todo los objetos que son colineales con el carácter subrayado (dentro de una tolerancia establecida). Con el fin de interpretar los códigos tal como son impresos, es esencial determinar de qué fila viene cada carácter; se asignan bien a la fila superior e inferior comparando los centros individuales de gravedad con la media de todos los caracteres.
Como sucede con el carácter subrayado, es posible obtener objetos de carácter rotos o fragmentados., y no es inteligente rechazar ningún objeto con base en su tamaño. Todos los objetos de carácter potenciales son comparados entre sí para determinar si se sobreponen horizontalmente o son más estrechos de lo esperado en su anchura (aproximadamente 32 píxeles). Si se detecta fragmentación, los fragmentos pueden ser agrupados usualmente de manera no ambigua y tratados como un objeto de carácter simple. Esto da a la red neural la mejor entrada posible y mejora las oportunidades de una interpretación correcta.
Las Figuras 3a, 3b y 3c muestran ejemplos de la imagen de partida de nivel de grises, con el código de umbral subrayado, y con la imagen de código rotada final.
4. Redes neurales para reconocimiento óptico de caracteres
Se utiliza una red neural artificial para reconocer los caracteres sobre el disco de susceptibilidad. De crucial importancia es el nivel de confidencia en el reconocimiento de caracteres.
4.1 Redes neurales artificiales y reconocimiento de patrones
La tarea de reconocer un carácter es esencialmente una tarea de reconocimiento de patrones (Figuras 2a-2c). Cada letra en la imagen de un disco de susceptibilidad es aislada, centrada y rotada hasta una posición aproximadamente hacia arriba. Esta imagen es almacenada como una secuencia de 0s y 1s y debido al ruido, cualquier letra particular tendrá un gran número de diferentes secuencias. La tarea de reconocimiento de patrones es encontrar un algoritmo, el cual dado un nuevo patrón, o secuencia de 0s y 1s, determinará que letra es la que se compara más cercanamente.
Una red neural artificial es un algoritmo de cómputo que se basa sobre la función y arquitectura del cerebro, con muchas unidades de procesamiento altamente interconectadas pero pequeñas. Está bien adecuada para el reconocimiento de patrones.
La Cuantificación del Sector Aprendido, o LVQ, T. Kohonen, Self-Organisation and Associative Memory, Springer-Verlag, 1984. Cada patrón de ejemplo puede ser visto como un punto en un espacio de vector de alta dimensión. El LVQ opera creando uno (o más) representantes para cada carácter durante el entrenamiento, representantes movidos en una posición de manera que cada carácter está más cerca de su representante en el representante de un carácter diferente. Durante la operación de la medida, cada nuevo patrón que es presentado al LVQ es clasificado de acuerdo con el representante al cual esté más cerca.
La red neural fue "entrenada" dándole patrones de ejemplo y adaptando los pesos de manera iterativa. Se generaron 100 patrones de ejemplo para cada letra y número a partir de una impresión sobre una tarjeta de espécimen seca. Éstas 3600 muestras (36 letras + números x 100 ejemplos) fueron divididos en dos mitades, con 50 patrones de ejemplo de cada carácter. La red neural fue entrenada sobre las primeras 1800, esto es, "aprendió" como reconocer las letras y números en estos ejemplos. Como prueba, la red neural fue luego presentada con las otras 1800.
4.2 Rendimiento de la red neural sobre imágenes de placas reales
Las imágenes de caracteres utilizadas para entrenar y probar la red neural fueron capturadas a partir de tarjetas de espécimen impresas con códigos de agentes antimicrobianos de ejemplo. En comparación, la calidad de impresión esperada sobre los discos típicos en el uso real será degradada por:
(a)
impregnación con agentes antimicrobianos y secado subsecuente
(b)
exposición al medio de cultivo durante la prueba de susceptibilidad.
Era esencial establecer el efecto de esta degradación sobre el rendimiento de la red neural procesando imágenes de discos que habían sido usadas en pruebas de susceptibilidad "reales". Las muestras usadas para estas pruebas estaban limitadas en número y en rango de caracteres, siendo de 7 ejemplos de los 5 códigos FR100, RD2, CAZ30, MEZ30 y N10, un total de 147 caracteres.
La red neural reconoció correctamente 146. Falló en un ejemplo de MEZ30 donde las primera, segunda y tercera mejor posibilidad para el carácter "0" (cero) fueron 8,0 y 6 respectivamente. Todas fueron clasificadas como "posibles", indicando una imagen ruidosa. Usando estos tres intentos, el código completo podría haber sido MEZ38, MEZ30 o MEZ36, pero la comparación con la lista de códigos válidos elimina la primera y la tercera, dejando MEZ30 como la respuesta correcta.

Claims (13)

1. Un dispositivo portador para su uso en una prueba de sus actividad de antibiótico ("AST"), portando el dispositivo de manera liberable un antibiótico relacionado con la prueba, y por tanto información concerniente al antibiótico, donde el dispositivo es un disco AST, caracterizado porque la información comprende un código legible por máquina de una o más letras y uno o más numerales y porque el dispositivo también incluye medios de orientación para permitir que un analizador de imágenes determine una dirección de lectura óptima de la información legible, comprendiendo los medios de orientación medios diferentes a dicho código.
2. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los medios de orientación están separados de dicha información legible por máquina.
3. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 o reivindicación 2 en el cual dichos medios de orientación comprenden información dispuesta linealmente.
4. Un dispositivo de acuerdo a la reivindicación 3, donde de dicha información dispuesta linealmente es paralela a la dirección de lectura óptima del código.
5. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3 o reivindicación 4, donde dicha información dispuesta linealmente es una línea o líneas impresas, impresas por debajo o por encima del código.
6. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual dicho código identifica dicha sustancia y/o su concentración.
7. Un sistema de análisis de imágenes para interpretar placas AST, cada una de las cuales lleva una pluralidad de dispositivos portadores cada uno de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo el sistema:
medios de soporte (100) para soportar una placa AST;
medios de cámara (104, 105), para ejecutar la imagen de una placa (101) soportada por dichos medios de soporte (100), y
medios de procesamiento de información electrónica (106), preferiblemente una red neural, enlazada con dichos medios de cámara, caracterizados porque los medios de procesamiento están programados o entrenados para localizar un disco AST sobre dicha placa de entre la pluralidad de discos AST,
identifica medios de orientación sobre el disco localizado, y rota la imagen percibida del disco según se requiera de manera que la imagen percibida de un código multicaracteres impreso sobre el disco es puesta en alineación con una dirección de lectura apropiada para el código, y lee el código.
8. Un sistema de análisis de imágenes de acuerdo con la reivindicación 7, que adicionalmente determina una característica visible de la zona de inhibición si la hay, que rodea un disco AST.
9. Sistema de análisis de acuerdo con la reivindicación 8, donde los medios de procesamiento de información electrónica incluyen o están enlazados a un "sistema experto" que comprende una base de datos de características AST de microorganismos conocidos.
10. Sistema de análisis de acuerdo con la reivindicación 8 o reivindicación 9 que incluye medios de despliegue para desplegar la imagen del disco.
11. Un sistema de análisis de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, donde el diámetro de la zona de inhibición está determinado.
12. Sistema de análisis de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, donde el sistema está programado o entrenado para identificar medios de orientación que comprenden un subrayado impreso por debajo del código.
13. Un analizador de imágenes para uso en la determinación del resultado de la prueba de susceptibilidad de antibióticos de microorganismos sobre un medio de cultivo que comprende:
a) medios de cámara (104, 105) para observar el medio de cultivo;
b) medios de procesamiento de información electrónica (106), enlazados a dichos medios de cámara (104, 105), programados o entrenados para interpretar cualquier región de crecimiento de microorganismos visiblemente alterada en la vecindad de un dispositivo de prueba de susceptibilidad, comprendiendo un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, presente sobre el medio de cultivo, caracterizados porque dichos medios de procesamiento también están programados o entrenados para leer el código de caracteres sobre el dispositivo indicador del reactivo de susceptibilidad en el dispositivo y para interpretar medios de orientación incorporados en o sobre el dispositivo mediante los cuales puede reconocerse la dirección de lectura óptima del código de caracteres, y porque se ajusta según sea necesario la dirección de lectura real para ponerla en línea con la orientación real del código de caracteres sobre el dispositivo.
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