Μέθοδοι ανάλυσης εικόνας στη διάγνωση διάχυτων ασθενειών του πνεύμονα στη πολυτομική υπολογιστική τομογραφία
Authors: Κορφιάτης Παναγιώτης 
Published: January 2014

Η Διάμεση Νόσος (ΔΝ) του πνεύμονα αποτελεί το 15% των παθήσεων του πνεύμονα που εμφανίζονται στην κλινική πρακτική. Η ΔΝ επηρεάζει κυρίως το πνευμονικό παρέγχυμα και εμφανίζεται στις εικόνες Υπολογιστικής Τομογραφίας (ΥΤ) του πνεύμονα με την μορφή διάχυτων περιοχών χαρακτηριστικών προτύπων υφής που παρεκκλίνουν από αυτό του φυσιολογικού παρεγχύματος. Η Πολυτομική Υπολογιστική Τομογραφία (ΠΥΤ) επιτρέπει την απόκτηση τρισδιάστατων απεικονίσεων με σημαντική μείωση του χρόνου λήψης και αποτελεί την απεικονιστική τεχνική επιλογής για την ποσοτικοποίηση και τη διάγνωση της ΔΝ. Η διάγνωση της ΔΝ χαρακτηρίζεται από μειωμένη διαγνωστική ακρίβεια χαρακτηρισμού και ακρίβεια ποσοτικοποίησης έκτασης ακόμα και για τον έμπειρο ακτινολόγο, αλλά και από χαμηλή επαναληψιμότητα. Η δυσκολία διάγνωσης οφείλεται στη μειωμένη ικανότητα του ανθρώπινου παράγοντα ως προς το καθορισμό έκτασης των προτύπων υφής λόγω ομοιότητας ακτινολογικής εμφάνισης τους σε συνδυασμό με το φόρτο εργασίας του ακτινολόγου και τον αυξημένο όγκο δεδομένων της ΠΥΤ. Αυτοματοποιημένα συστήματα ανάλυσης εικόνας μπορούν να αντιμετωπίσουν τα παραπάνω προβλήματα παρέχοντας σημαντική υποβοήθηση στο έργο της διάγνωσης και παρακολούθησης της νόσου. Η ανάπτυξη αυτοματοποιημένων συστημάτων ανάλυσης εικόνας για υποβοήθηση διάγνωσης στην ΥΤ του πνεύμονα έχει αποτελέσει θέμα εκτεταμένης έρευνας την τελευταία δεκαετία με ένα μικρό τμήμα της να επικεντρώνεται στο χαρακτηρισμό και ποσοτικοποίηση της έκτασης της ΔΝ. Σημαντικά στάδια προεπεξεργασίας των συστημάτων αυτών αποτελούν οι τμηματοποιήσεις των Πνευμονικών Πεδίων (ΠΠ) και του αγγειακού δένδρου για τον καθορισμό του προς ανάλυση όγκου του πνευμονικού παρεγχύματος. Τα έως σήμερα προταθέντα συστήματα αυτόματης ανίχνευσης και ποσοτικοποίησης της έκτασης της ΔΝ αξιοποιούν κυρίως μεθόδους ανάλυσης δισδιάστατης (2Δ) υφής εικόνας, ενώ μόνο δύο μελέτες έως σήμερα έχουν αξιοποιήσει ανάλυση 3Δ υφής. Συγκεκριμένα, μέθοδοι ανάλυσης υφής εικόνας που έχουν αξιοποιηθεί είναι: στατιστική 1ης τάξης (ιστόγραμμα), μήτρες συνεμφάνισης αποχρώσεων του γκρι (Grey level Co-occurrence Matrices), μήτρες μήκους διαδρομής απόχρωσης του γκρι (Gray Level Run Length Matrices), υπογραφές ιστογράμματος και Fractals. Ο χαρακτηρισμός και η ποσοτικοποίηση περιοχών του πνευμονικού παρεγχύματος που αντιστοιχούν σε φυσιολογικό παρέγχυμα και υποκατηγορίες παθολογίας υλοποιείται με μεθόδους επιβλεπόμενης ταξινόμησης προτύπων όπως: τεχνητά νευρωνικά δίκτυα (Artificial Neural Networks, ΑΝΝ), Bayesian ταξινομητής, ανάλυση γραμμικού διαχωρισμού (Linear Discriminant Analysis, LDΑ) και ταξινομητής πλησιέστερου γείτονα (k-Nearest Neighboor, k-NN). Στα έως σήμερα προταθέντα συστήματα, η τμηματοποίηση των ΠΠ υλοποιείται με συμβατικές μεθόδους τμηματοποίησης με βάση τις αποχρώσεις του γκρί (τιμές έντασης) εικονοστοιχείων. Ανοικτό ζήτημα παραμένει και η αξιολόγηση της επίδρασης των σταδίων προ-επεξεργασίας (τμηματοποίηση ΠΠ και αγγειακού δένδρου) στην ακρίβεια συστημάτων χαρακτηρισμού και ποσοτικοποίησης της έκτασης της ΔΝ. Τέλος, η αξιολόγηση της αλληλεπίδρασης αυτόματων συστημάτων ποσοτικοποίησης και ακτινολόγου στη λήψη αποφάσεων χαρακτηρισμού και ποσοτικοποίησης της έκτασης που αφορούν την ΔΝ δεν έχει διερευνηθεί. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ολοκληρωμένου συστήματος ανάλυσης εικόνας το οποίο χαρακτηρίζει και ποσοτικοποιεί την έκταση περιοχών με ΔΝ σε απεικονίσεις ΠΥΤ θώρακος, στοχεύοντας στη βελτιστοποίηση όλων των σταδίων του, καθώς και στην αξιολόγηση της συμβολής του συστήματος στην λήψη διαγνωστικών αποφάσεων. Για το σκοπό αυτό διερευνώνται τεχνικές 3Δ ενίσχυσης εικόνας, 3Δ τμηματοποίησης εικόνας καθώς και 3Δ χαρακτηριστικά υφής εικόνας σε συνδυασμό με επιβλεπόμενα και μη επιβλεπόμενα συστήματα ταξινόμησης. Συγκεκριμένα η συμβολή της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται στα ακόλουθα: • Ανάπτυξη μεθόδων τμηματοποίησης των ΠΠ και του αγγειακού δένδρου παρουσία παθολογίας. • Διερεύνηση της συμβολής αλγορίθμων εξαγωγής 3Δ υφής εικόνας στην ακρίβεια μεθόδων ταξινόμησης προτύπων ΔΝ. • Βελτιστοποίηση μεθόδων χαρακτηρισμού και ποσοτικοποίησης έκτασης με χρήση τεχνικών επιβλεπόμενης και μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης. • Αξιολόγηση της επίδρασης των σταδίων προεπεξεργασίας στην ακρίβεια συστημάτων ποσοτικοποίησης. • Αξιολόγηση της συμβολής συστημάτων ποσοτικοποίησης στη διάγνωση της ΔΝ.