Caratteristiche tecnologiche delle apparecchiature per la ...

ORGANIZZAZIONE7doveri&dirittidi un Servizio di Endoscopia DigestivaIl libro bianco dell’endoscopistaF. Cosentino, G. Battaglia, E. RicciCaratteristiche tecnologichedelle apparecchiatureper la magnificazioneendoscopicaGiuseppe Galloro

&dirittidoveriin Endoscopia Digestivail libro bianco dell’endoscopistaPROGETTARE, REALIZZAREORGANIZZARE eGESTIREun Serviziodi Endoscopia DigestivaFelice CosentinoGiorgio BattagliaEnrico Ricci

ORGANIZZAZIONE7&dirittidoveriCaratteristiche tecnologichedelle apparecchiatureper la magnificazioneendoscopicaGiuseppe Galloro

&dirittidoveriin questo fascicolodi ORGANIZZAZIONE7Introduzione ...................................................................................................................................................... 5Che cosa è la magnificazione? ...................................................................................... 5Variabili che condizionano la qualità dell’immagine .............. 6Caratteristiche del CCD .................................................................................................................. 6Profondità del colore .......................................................................................................................... 8Tecnologia di ingrandimento .................................................................................................... 9Caratteristiche tecnologiche dell’endoscopioa magnificazione ideale................................................................................................................ 10Bibliografia essenziale .................................................................................................................... 12AREA QUALITÀ© 2003 AREA QUALITÀ ® S.r.l.Via Comelico, 3 - 20135 MILANOE-mail: info@areaqualita.itTutti i diritti riservatiQuesto fascicolo è stato stampato dalla tipografiaVigrafica di Monza nel mese di dicembre 2003Impaginazione: Area Qualità - Maurizio Duranti

ORGANIZZAZIONE7Caratteristiche tecnologiche delle apparecchiatureper la magnificazione endoscopicaGiuseppe GalloroArea Centralizzata di Endoscopia Digestiva Operatoria, Dipartimento di Chirurgia Generale, Geriatrica, Oncologicae Tecnologie Avanzate, Facoltà di Medicina e Chirurgia, Università degli Studi “Federico II” di Napoli&dirittidoveriINTRODUZIONELa magnificazione endoscopica è una tecnicaad alto contenuto tecnologico, introdotta eperfezionata dalla Scuola giapponese per lostudio delle neoplasie coliche precoci, con particolareriferimento alle forme piatte e depresse[1,2]. La necessità di disporre di apparecchiaturead elevatissima risoluzione ha spinto l’industriaa realizzare strumenti e processori dalleperformances sempre più avanzate, dalle capacitàdi definizione sempre maggiore e, parallelamente,dalle caratteristiche tecnologiche semprepiù avanguardistiche e complesse.L’ampia diffusione delle teorie nipponiche circala cancerogenesi colica de novo [3] ha suscitato,anche in occidente, un notevole interesse sullaendoscopia a magnificazione di immagine, comeè dimostrato dall’aumento del numero dellereferenze bibliografiche disponibili e dal numerodi convegni sull’argomento, anche nelnostro paese.Per tale motivo, ci è sembrato utile dedicare uncapitolo specifico a questa affascinantissimatecnica, con particolare riferimento a quelli chesono i fondamenti tecnologici (ottici, elettronicied informatici) che la rendono così peculiareed unica.CHE COSA E’ LAMAGNIFICAZIONE?La domanda appare più che scontata e certamentegiustificata, visto che allo stato attualeesiste una notevole confusione tecnica sull’argomento.Confusione, peraltro, alimentata anchedalla letteratura internazionale che spessorisulta inappropriata, dal punto di vista terminologicomescolando i termini di magnifying endoscopye zoom endoscopy.Il primo passo da compiere è necessariamenterappresentato dallo stabilire il significato lessicaleprima e tecnologico poi, dei termini di“magnificare” e di “zoomare”.Consultando un moderno ed aggiornato dizionariodella lingua italiana [4], il significato deidue verbi è il seguente:Significato lessicale• zoomare: (neologismo, anglismo) uso di obbiettivofoto/cinematografico a focale variabile che consentenotevoli ingrandimenti (o riduzioni) del soggetto ripreso,senza spostare la camera utilizzata• magnificare: (ottico) ingrandire.Da un punto di vista lessicale i due terminisembrano avere un significato assolutamentesovrapponibile, esprimendo entrambi il concettodell’ingrandimento.Consultando invece un testo tecnico [5] il significatodei due termini varia alquanto:Significato tecnologico• zooming: ingrandimento del soggetto di una immagine per variazione(aumento) della focale dell’ottica utilizzata• magnification: ingrandimento di una immagine ottenuta con tecnologiaottica od elettronica. Per convenzione si intende come tecnologia elettronica(con interpolazione) in contrapposizione allo zooming ottico.5

&dirittidoveriORGANIZZAZIONE7Da un punto di vista tecnico i due termini differiscono,riferendosi a due tecnologie differenti:una ottica e l’altra elettronica.A questo punto sorgono spontanee alcune domande:• Se le due tecnologie diingrandimento dell’immagine(zoom e magnificazione) sonodifferenti, lo saranno anche leimmagini da esse generate?• Se la risposta è affermativa, in cosadifferiscono?• Dal punto di vista della qualità,quali immagini sono le piùdettagliate ed a maggiorerisoluzione di ingrandimento?• La qualità dell’immagine è solafunzione della tecnologia diingrandimento?• Se la risposta è negativa, qualialtre variabili la influenzano?VARIABILI CHECONDIZIONANO LAQUALITÀ DELL’IMMAGINEL’immagine generata da una moderna colonnaendoscopica può essere assimilata, in tutto eper tutto, ad una immagine generata da unavideocamera digitale. In questa ottica, le variabiliche condizionano la qualità dell’immaginee la sua risoluzione di ingrandimento sono leseguenti:• le caratteristiche del CCD(densità ottica e CTR)• la profondità di colore• la tecnologia di ingrandimento.Analizziamole singolarmente e cerchiamo dicomprenderne l’importanza.CARATTERISTICHE DEL CCDIl CCD (Charge Coupled Device o dispositivo adaccoppiamento di carica) di un video-endoscopio(come quello di una videocamera o di unafotocamera digitale) rappresenta il vero cuorepulsante dell’apparato che genera le immagini.In realtà si tratta di un trasduttore di tipo optoelettronico:è un elemento che trasforma l’impulsoluminoso in impulso elettronico.È formato da varie unità rettangolari di silicio,variabili per numero e dimensioni, che prendonoil nome di pixel (o fotodiodi) disposti infile e colonne, come a formare un mosaico.Ciascun singolo pixel è accoppiato ad un’areadi trasferimento di carica (Charge Transfer Region)che svolge la vera funzione di trasduttore[6] (FIGURA 1).6

Tecnologia per la magnificazione endoscopica&dirittidoveriFIG. 1: I PIXEL SONO DISPOSTIIN FILE E COLONNEInoltre, all’aumento del numero dei pixel si riducono,secondo un rapporto di proporzionalitàinversa, le loro dimensioni [7]. Questo ultimopunto è molto importante: infatti, unaimmagine generata da un CCD con pochipixel e di grandi dimensioni sarà costituita dapochi punti e di grandi dimensioni con queltipico effetto di “scalettatura” (o “pixelatura”,evidente soprattutto lungo i contorni non rettilinei)che farà perdere chiarezza e definizioneall’immagine stessa. Di conseguenza, una immaginead alta densità ottica sarà caratterizzatada un elevato dettaglio sia per la presenzadi molti punti, sia per le loro ridottissime dimensioni(FIGURA 2).FIG. 2: LA DEFINIZIONE AUMENTACOL CRESCERE DEL NUMERO DEI PIXELQuando la luce riflessa da un oggetto (ovverola sua immagine), nelle proprie diverse lunghezzed’onda (colori), colpisce il CCD, ognipixel viene eccitato dalla luce ed accumulauna certa carica, proporzionale alla luce da cuiè stato colpito. In pratica, se il CCD è stato colpitoda molta luce (immagine molto luminosa),genererà una carica molto elevata (segnaleelettronico molto forte). Se immaginiamo ilCCD come un mosaico di pixel, allora si verràa costituire una vera e propria matrice dell’immaginepunto per punto. Quando il CCD vienecolpito da un impulso luminoso, a livello diciascun pixel si crea una carica proporzionalealla luce della porzione dell’immagine che loha colpito, illuminato ed eccitato.Un CCD costituito da molti pixel genera unaimmagine caratterizzata da molti punti, quindimolto definita, dettagliata e luminosa. Parallelamente,ad una buona qualità della CTR corrisponderàun ottimo segnale di trasduzione eduna immagine pulita cioè priva di aberrazioni.Ne deriva, quindi, che la qualità dell’immagine èfunzione diretta del numero di pixel del CCD o,per meglio dire, della sua densità ottica.7

&dirittidoveriORGANIZZAZIONE7Altro aspetto importante delle caratteristichedel CCD è rappresentato dal numero dei cosiddettiinterlacciamenti. L’interlacciamento è ilpunto di connessione fra un pixel e la rispettivaCTR e normalmente si trova nel punto dimezzo di un lato del pixel [7]. Di conseguenza,se il pixel ha forma rettangolare (come nell’enormemaggioranza dei casi), il numero di interlacciamentipotrà variare da uno a quattro(FIGURA 1).Di recentissima introduzione è il cosiddettoSUPER-CCD con pixel di forma ottagonale,ciascuno dei quali è caratterizzato dall’avereotto interlacciamenti. Poiché la qualità dell’immagineè influenzata (secondo un rapporto diproporzionalità diretta) dal numero degli interlacciamenti,viene da sé che gli apparecchiequipaggiati con SUPER-CCD saranno caratterizzatida una qualità delle immagini notevolmentesuperiore, rispetto agli altri. Questotipo di CCD è un brevetto Fuji ed è attualmentemontato solo su fotocamere, videocamere evideo-endoscopi Fujinon (FIGURA 3).FIG. 3: SUPER-CCD OTTAGONALEDI BREVETTO FUJIPROFONDITÀ DEL COLOREIl concetto di profondità del colore è fra i piùostici da comprendere per un utente alle primearmi. Tenteremo quindi di approcciarlo in modosemplice e graduale, per riuscire a capirlo almeglio.Pensare che un colore sia chiaro o scuro, intensoo sbiadito, saturo o tendente al neutrorisulta abbastanza chiaro. Invece è più difficilepensare che un colore sia più o meno “profondo”anche perché il termine risulta fuorviantese messo in relazione con il significato chenormalmente ed intuitivamente diamo al termine“profondità”.Nel campo della rappresentazione informaticadei colori, la profondità del colore si esprime inbit (unità di misura di volume o capienza informatica)ed indica la quantità di informazioni disponibilesui colori per visualizzare, o stampare,ciascun singolo pixel di un’immagine [8]. Più altaè la profondità di colore, maggiore è il numerodi bit di informazioni per singolo pixel, e piùalto sarà il numero di colori (o sfumature di colori)che potrà essere rappresentato per singolopixel e quindi per singolo punto dell’immagine.In pratica, all’aumentare della profondità delcolore, aumenterà la qualità della rappresentazionecromatica nell’immagine.Ad esempio, un pixel con profondità di colorein bit pari ad 1, assumerà solo due possibili valori:0 o 1, vale a dire bianco o nero.Un pixel con profondità pari a 8 potrà assumereuna valore che va da 0 a 2 8 : quindi, per ciascunpixel, ci potranno essere 256 valori possibili.Con 24 bit di profondità si codificano trecanali da 8 bit ciascuno e, considerando cheogni canale potrà assumere un valore fra 0 e256 3 , ciascun pixel potrà esprimere 16 milioni dicolori.8

Tecnologia per la magnificazione endoscopica&dirittidoveriNe deriva che all’aumentare della profondità dicolore del processore a nostra disposizione aumentala capacità della macchina di esprimere,nell’immagine, il ventaglio cromatico tipico delsoggetto ripreso: nel nostro caso aumenta la capacitàdell’endoscopio di rendere sul monitor, oin stampa, i reali colori della mucosa che stiamostudiando, con tutte le possibili sfumature.Appare chiaro quanto sia importante tutto ciònel nostro campo, in cui la giusta interpretazionedi un’area discromica può essere determinanteper formulare correttamente una diagnosi.Le profondità di colore più utilizzate, in campodi fotografia digitale, sono le seguenti:• 8 bit per le immagini in scala digrigio• 24 bit per le immagini in RGB (lostandard utilizzato dai processoriendoscopici)• 32 bit per le immagini in quadricromia(CMYK).La magnifying endoscopy, invece, sfrutta una tecnologiain grado di ingrandire un’immagine registrataprecedentemente dal CCD in dimensionireali. In pratica, l’immagine viene registratadal CCD in dimensioni reali e poi viene ingranditaattraverso un protocollo digitale.Il risultato finale potrebbe sembrare identico:una immagine ingrandita in entrambi i casi. Inrealtà, sebbene le due immagini siano ingranditein modo eguale, sussistono enormi differenzeda un punto di vista qualitativo e, soprattutto,di risoluzione.Lo zoom ottico ci da un’immagine ingrandita icui singoli punti saranno analizzati da ciascunpixel del CCD (FIGURA 4A). La magnificazioneelettronica ci da un’immagine ingrandita attraversol’ingrandimento dei punti corrispondentiall’analisi dei singoli pixel. La magnificazione, inpratica, genera immagini ingrandite attraversoun software di manipolazione digitale, conconseguente sgranamento dell’immagine stessa(FIGURA 4B).FIG. 4A: SCHEMA RIASSUNTIVODEL FUNZIONAMENTO DELLA TECNOLOGIA ZOOMTECNOLOGIA DI INGRANDIMENTOCome abbiamo già detto prima, la tecnologia diingrandimento dell’immagine non è l’unica variabileche influenza la qualità di visione di unendoscopio a magnificazione, ma è certamentequella che la condiziona maggiormente.Trattiamo quindi la tecnologia dello zoom equella della magnificazione per poi, metterle aconfronto e trarre le dovute considerazioniconclusive.Quando parliamo di zoom endoscopy ci riferiamoad una endoscopia eseguita con apparecchidotati di un sistema di ingrandimento ottico,che sfrutta l’aumento della distanza focaledell’ottica (obiettivo) utilizzata. Il meccanismoriproduce, in pratica, quanto avviene in unobiettivo fotografico zoom modificandone lafocale (distanza fra il punto di mezzo della lentepiù esterna dell’obiettivo e punto di intersezionefra le diagonali del fotogramma) o quantoavviene in un microscopio ottico. L’ingrandimento,quindi, si ottiene prima che l’immaginevada ad impressionare i pixel del CCD inmodo che questi ultimi contengano informazioniriguardanti un’immagine già ingrandita.FIG. 4B: SCHEMA RIASSUNTIVO DEL FUNZIONAMENTODELLA TECNOLOGIA MAGNIFYING

&dirittidoveriORGANIZZAZIONE7Quando una immagine digitale (ingranditaelettronicamente) si sgrana, le informazioni (ottiche,steriche e cromatiche) relative ai singolipixel si frazionano ed in alcuni casi si perdono,creando dei veri e propri punti vuoti (neri) nell’immaginefinale, con notevole riduzione delladensità ottica. Per evitare tale dannosissimoprocedimento, il processore mette in atto, attraversoun apposito software, un protocollo diinterpolazione che ricostruisce e riposiziona ipixel sgranati. In realtà, però, i punti vuoti vengonocolmati con informazioni ricostruite arbitrariamentedal processore, sulla base di calcolistatistici eseguiti su tutti i punti dell’immagineprocessata.Sulla base della complessità dei protocolli diinterpolazione, questi di distinguono in:• protocolli di interpolazionelineare in cui viene ricostruito ilpixel perduto copiando integralmentequello di fianco• protocolli di interpolazionebilineare in cui si ricostruisce ilpixel perduto copiando i quattropixel attorno a quello perduto (sopra,sotto, a destra, a sinistra) edelaborando una media dei dati diingombro e di quelli cromatici• protocolli di interpolazionebicubica in cui si ricostruisce ilpixel perduto copiando gli ottopixel attorno a quello perduto (sopra,sotto, a destra, a sinistra, angolosuperiore destro, angolo superioresinistro, angolo inferioredestro, angolo inferiore sinistro)ed elaborando una media dei datidi forma, di ingombro e cromatici.CARATTERISTICHETECNOLOGICHEDELL’ENDOSCOPIOA MAGNIFICAZIONE IDEALEDa quanto abbiamo detto precedentemente,emerge che la qualità dell’immagine endoscopicaè direttamente proporzionale:• alla densità ottica (numero dipixel contenuti nel CCD)• alla qualità della CTR• al numero degli interlacciamenti• alla profondità di colore.Inoltre, va detto che la capacità di risoluzioneè maggiore negli apparecchi dotati di tecnologiadi ingrandimento ottica (zoom) o mista(zoom + magnificazione) rispetto agli apparecchia sola tecnologia elettronica (magnificazione/interpolazione).Sulla base di queste considerazioni, la macchinaideale (posto che la macchina ideale esista)dovrebbe avere le seguenti caratteristiche:• SUPER-CCD ad elevata densità ottica• profondità di colore a 24 bit• zoom ottico da solo o associatoa magnificazione elettronica.Nella TABELLA 1 sono riassunte le principali caratteristichedegli endoscopi a magnificazionedisponibili sul mercato italiano alla data dipubblicazione di questo contributo.Per quanto possa essere sofisticato il sistema diricostruzione, questo genera sempre un’immaginein parte reale ed in parte virtuale.Questo aspetto rappresenta il vero limite dellatecnologia elettronica, motivo per il quale i sistemiendoscopici a magnificazione elettronicasono caratterizzati da una risoluzione (più piccoladimensione di un elemento distinguibile)notevolmente inferiore rispetto a quelli dotatidi tecnologia ottica o di tecnologia combinata(ottica + elettronica).10

Tecnologia per la magnificazione endoscopica&dirittidoveriTAB. 1: PRINCIPALI CARATTERISTICHE TECNOLOGICHE DEGLI ENDOSCOPIA MAGNIFICAZIONE/ZOOM ATTUALMENTE IN VENDITA IN ITALIAParametro tecnicoCampo di visioneProfondità di campoOlympus Fujinon Pentax FujinonCF Q 160 Z EC 450 ZW 5 EC 3830 Z EC 485 ZW 5visione normale 140° 140° 120° 140°visione ingrandita 50° 65° 40° 55°visione normale 7-100 mm 6-100 mm 3-100 mm 6-100 mmvisione ingrandita 2-3 mm 1,5-3 mm 2-3 mm 1,5-3 mmTipologia del CCD colori colori sequenziale colori-superDensità ottica del CCDIngrandimento maxTecnologia ingrandimentonondichiaratanon450.000 pdichiarata1.000.000 p100 x 100 x (50+2) 100 x 100 x (50+2)elettrico elettrico manuale elettricoelettronica ottica + elettronica ottica +elettronicaelettronicaelettronicaelettronicaa 30 x 31 μ 28μ 15μnonRisoluzione a 70 x 12,4 μ 11μ 6μdichiarataa 100 x 9 μ 7μ 4,4μ11

&dirittidoveriORGANIZZAZIONE7BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE1. Kudo S. Early colorectal cancer: detection of depressed type of colorectal cancer. Igaku-Shoin EdTokio, New York 1996.2. Tada M et al. Magnified observation of minute changes of polypoid lesions in large intestine. I toCho (Stomach and Intestine) 1978;13:625.3. Tsujinaka Y et al. IIc (depressed) type of early carcinoma of the rectum originating “de novo”Report of a case. I to Cho (Stomach and Intestine) 1983;18:211.4. Sabatini F, Coletti V. Nuovo dizionario della lingua italiana. Giunti Ed 2000.5. International development in technology and research. Universal Technical Press Ed New York 2001.6. McClelland D. Photoshop 6. Tutto ed oltre. 596, Apogeo Ed 2001.7. Fratti L. Tutto sul CCD. Foto computer 2002;42:34.8. Galiazzo M. Come è profondo il colore. Applicando 2003;209:96.12

Tecnologia per la magnificazione endoscopica&dirittidoveriNote...........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................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&dirittidoveriORGANIZZAZIONE7Note.......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................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&dirittidoverinei prossimifascicoli diORGANIZZAZIONEsaranno trattatii seguenti argomenti:8Informazioni ai pazientisulle procedure endoscopiche9La dimissione in endoscopia

&dirittidoveriCODICE ARTICOLO 34050018LA REALIZZAZIONE DI QUESTO PROGETTO EDUCAZIONALE È RESA POSSIBILE GRAZIE AL CONTRIBUTO DI