Χρήση προηγμένων μεθόδων επεξεργασίας σήματος και εικόνας στην περιοχή της πεπτικής ενδοσκοπίας με χρήση ασύρματης ενδοσκοπικής κάψουλας
Authors: Χαρίσης Βασίλειος 
Published: August 2021

Σκοπός της διατριβής ήταν η ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών ανάλυσης ιατρικών εικόνων που προέρχονται από ασύρματη ενδοσκόπηση με κάψουλα για την αναγνώριση περιοχών διαβρωμένου βλεννογόνου που σχετίζονται με ελκώσεις και τη νόσο του Crohn. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες χωρίσθηκαν σε τέσσερις πυλώνες, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους και τα μαθηματικά εργαλεία που χρησιμοποιούν. Αρχικά εξετάσθηκε η διάκριση εικόνων διάβρωσης και φυσιολογικού ιστού χρησιμοποιώντας χαρακτηριστικά υφής που εξάγονται από εικόνες στην κλίμακα του γκρι με την εφαρμογή της Ανάλυσης Διαφορικής Κενότητας (ΑΔΚ), αφού προηγουμένως είχε αφαιρεθεί ο θόρυβος με χρήση της Δισδιάστατης Συλλογικής Εμπειρικής Μεθόδου Αποσύνθεσης (ΔΣΕΜΑ). Το διάνυσμα χαρακτηριστικών (ΔΧ) που προέκυψε από την εφαρμογή του συνδυασμού ΔΣΕΜΑ-ΑΔΚ εμφάνισε ενθαρρυντικά αποτελέσματα και οδήγησε στην αξιοποίηση χαρακτηριστικών υφής-χρώματος εφαρμόζοντας το συνδυασμό ΔΣΕΜΑ-ΑΔΚ στις χρωματικές συνιστώσες του χώρου RGB. Ακολούθως, διενεργήθηκε εμπεριστατωμένη μελέτη του βέλτιστου τρόπου υλοποίησης της ΑΔΚ και προτάθηκε ένα βελτιωμένο ΔΧ που συνοψίζει την τοπική και συνολική συμπεριφορά της καμπύλης ΔΚ. Ολοκληρώνοντας τον πρώτο πυλώνα, διερευνήθηκε ο ρόλος τριών χρωματικών μοντέλων (RGB, HSV, CIE Lab) στην απόδοση του συστήματος αναγνώρισης. Στο δεύτερο πυλώνα προσεγγίσεων έγινε προσπάθεια αξιοποίησης του συνόλου των δυνατοτήτων που παρέχει η ΔΣΕΜΑ μελετώντας την κατανομή των μοτίβων του διαβρωμένου ιστού στα εγγενή δομικά συστατικά των εικόνων που εξάγονται από τη ΔΣΕΜΑ. Στα πλαίσια αυτά, προτάθηκε ένα νέο σύστημα προσαρμοσμένης ανασύνθεσης, το οποίο, όχι μόνο απομακρύνει το θόρυβο, αλλά ανακατασκευάζει μια εικόνα βάσει των καταλληλότερων συνιστωσών, οι οποίες παρουσιάζουν ιδιότητες σχετικές με διάβρωση. Στον τρίτο πυλώνα προσεγγίσεων διεξάχθηκε περαιτέρω αξιοποίηση των προϊόντων της ΔΣΕΜΑ μελετώντας αναλυτικά τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις και το πως αυτές μεταβάλλονται ανάλογα με την κατηγορία του ιστού που απεικονίζεται. Για το λόγο αυτό, εισάχθηκε το μέτρο της εγγενούς συσχέτισης δεύτερης και ανώτερης τάξης. Επίσης, παρουσιάστηκε ένα υβριδικό σύστημα εξαγωγής χαρακτηριστικών, που βασίστηκε τόσο στα χαρακτηριστικά υφής αποθορυβοποιημένων εικόνων, όσο και στις πληροφορίες εγγενούς συσχέτισης ανώτερης τάξης. Τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα του μέτρου της εγγενούς συσχέτισης οδήγησαν στην ανάπτυξη μιας αναβαθμισμένης έκδοσης του παραπάνω συστήματος αναγνώρισης διαβρώσεων και στην παρουσίαση ενός βελτιωμένου υβριδικού ΔΧ. που δομείται από τις πληροφορίες εγγενούς συσχέτισης υφής δεύτερης και ανώτερης τάξης και τα χαρακτηριστικά υφής ανακατασκευασμένων εικόνων μέσω της διαδικασίας προσαρμοσμένης ανασύνθεσης. Τέλος, στον τέταρτο πυλώνα προσεγγίσεων αξιοποιήθηκε ο Μετασχηματισμός Κυρτοκυματιδίων (ΜΚ), ένα εργαλείο πολυκλιμακωτής ανάλυσης που αποσυνθέτει μια εικόνα σε συνιστώσες πολλών κλιμάκων και κατευθύνσεων που φέρουν πληροφορίες για τις εγγενείς καμπυλόγραμμες δομές. Στα πλαίσια αυτά, αρχικά, διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα της αναπαράστασης της υφής του βλεννογόνου στα προϊόντα της ανάλυσης ΜΚ και προτάθηκε ένα ΔΧ βασισμένο στη στατιστική ανάλυση της καμπύλης ΔΚ. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε η διαδικασία του Υβριδικού Προσαρμοσμένου Φιλτραρίσματος η οποία στοχεύει στην απομόνωση των εγγενών συνιστωσών των εικόνων που σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά υφής του βλεννογόνου με τη βοήθεια ενός γενετικού αλγορίθμου (ΓΑ). Το προτεινόμενο σύστημα ελέγχθηκε ως προς την ευρωστία στην ύπαρξη θορύβου και στη μεταβολή παραμέτρων του ΓΑ και της ΑΔΚ και αποδείχθηκε ότι επιδεικνύει την υψηλότερη επίδοση σε σύγκριση με μεθοδολογίες της βιβλιογραφίας και όλες τις υπόλοιπες μεθοδολογίες που προτάθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής.