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