Ανάπτυξη Μεθόδων Επεξεργασίας Εικόνων Μαστογραφίας Βασισμένων σε Τοπικά Μορφολογικά Χαρακτηριστικά για την Υπολογιστική Υποστήριξη της Διάγνωσης

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στην υποστήριξη του ακτινολόγου στην αξιολόγηση ευρημάτων σε εικόνες μαστογραφίας. Για τον σκοπό αυτό υλοποιείται σειρά μεθόδων επεξεργασίας εικόνας βασισμένων σε τοπικά μορφολογικά χαρακτηριστικά, οι οποίες μπορούν να αποτελέσουν τμήμα ενός συστήματος υποβοηθούμενης διάγνωσης με χρήση υπολογιστή (CAD). Βασικό χαρακτηριστικό των μεθόδων αυτών είναι η εισαγωγή και αξιοποίηση ενός ειδικού χαρακτηριστικού που ονομάσαμε ακτινικό μήκος. Αρχικά διερευνάται η δυνατότητα αξιοποίησης των ακτινικών μηκών για την βελτίωση της αντίθεσης μαστογραφιών με έμφαση στην ανάδειξη της κρίσιμης διαγνωστικά πληροφορίας. Η βελτίωση της αντίθεσης αποτελεί τμήμα της διαδικασίας προ-επεξεργασίας σε ένα σύστημα CAD και μπορεί να συμβάλει καθοριστικά στην βελτίωση της αποτελεσματικότητας του συστήματος. Για την αξιολόγηση της μεθόδου (και με δεδομένη την απαίτηση για ανάδειξη της διαγνωστικά κρίσιμης πληροφορίας) επιλέγεται μια διαδικασία μέτρησης αποτελεσματικότητας η οποία στηρίζεται στην ποσοτικοποίηση της αντίθεσης μεταξύ της κρίσιμης περιοχής (π.χ. μάζα) και του περιβάλλοντος ιστού. Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου συγκρίνεται με εκείνην ευρέως διαδεδομένων μεθόδων της βιβλιογραφίας και αποδεικνύεται ότι η προτεινόμενη μέθοδος υπερέχει από τις υπό σύγκριση μεθόδους, καθώς αναδεικνύει αποτελεσματικότερα την κρίσιμη πληροφορία -αλλοιώσεις τύπου μάζας- σε ποσοστό που κυμαίνεται από 65.8% έως 85.8% των μελετούμενων περιπτώσεων, ανάλογα με την συγκρινόμενη μέθοδο. Ακολούθως, διερευνάται η αξιοποίηση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των ακτινικών μηκών για την ανίχνευση έντονων ακμών και συγκεκριμένα για την κατάτμηση του θωρακικού μυός από μέσο-πλάγιες λοξές μαστογραφικές λήψεις. Η προτεινόμενη προσέγγιση στηρίζεται στην χρήση των ακτινικών μηκών για τον αρχικό προσδιορισμό των σημείων που πιθανόν ανήκουν στην διαχωριστική γραμμή μυός-μαστού και στην συνέχεια, στην εφαρμογή μιας διαδικασίας επέκτασης γραμμών από αυτά τα σημεία έχοντας σαν οδηγό και πάλι τις τιμές των ακτινικών μηκών στα διάφορα σημεία της εικόνας. Η μέθοδος αξιολογείται μέσω κατάλληλου συνόλου εικόνων που έχει προταθεί στη βιβλιογραφία και αποτελείται από συγκεκριμένες εικόνες για τις οποίες είναι γνωστά τα ακριβή όρια θωρακικού μυός-μαστού, επιτρέποντας έτσι ευθεία σύγκριση μεταξύ των διαφορετικών μεθόδων. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος υπερτερεί σε επιδόσεις του συνόλου των λοιπών - συγκρινόμενων μεθόδων της βιβλιογραφίας, καθώς μεταξύ άλλων εμφανίζει χαμηλές τιμές σφάλματος σε ποσοστό 68.6% των μελετούμενων περιπτώσεων, έναντι αντίστοιχου ποσοστού 53.5% - 59.5% για τις υπό σύγκριση μεθόδους. Πέρα από την μελέτη τεχνικών προ-επεξεργασίας και κατάτμησης, διερευνούμε επίσης την δυνατότητα αξιοποίησης των ακτινικών μηκών για την αναγνώριση αρχιτεκτονικών διαστρεβλώσεων σε εικόνες μαστογραφίας. Οι αρχιτεκτονικές διαστρεβλώσεις αποτελούν την τρίτη πιο κοινή μορφή αλλοίωσης του μαστού, μετά τις μάζες και τις μικροασβεστώσεις, ωστόσο ο εντοπισμός τους μέσω της μαστογραφίας έχει αποδειχθεί αρκετά δυσκολότερος, λόγω κυρίως των ιδιαίτερων μορφολογικών τους χαρακτηριστικών. Η προτεινόμενη μέθοδος στηρίζεται στον συνδυασμό των ακτινικών μηκών με μια σειρά παραλλαγών της μεθόδου των τοπικών δυαδικών μοτίβων (LBP). Ακολούθως, λόγω του μεγάλου αριθμού χαρακτηριστικών που τελικά προκύπτουν μέσω του συνδυασμού αυτού, εφαρμόζεται συνδυασμός τεχνικών ανάλυσης κύριων συνιστωσών (PCA) και t-test, με απώτερο σκοπό την μείωση του συνολικού αριθμού των χαρακτηριστικών και την επιλογή εκείνων με την μεγαλύτερη διαχωριστική ικανότητα. Η τελική αναγνώριση των αρχιτεκτονικών διαστρεβλώσεων πραγματοποιείται μέσω της μεθόδου των μηχανών υποστήριξης διανυσμάτων (SVMs), ενώ σε όλα τα πειράματα που πραγματοποιούνται για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των αναφερόμενων μεθόδων γίνεται χρήση εικόνων από τα ανοικτά και ελεύθερα διαθέσιμα σύνολα DDSM και MIAS. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης της μεθόδου κρίνονται ως ιδιαίτερα ενθαρρυντικά καθώς επετεύχθη απόλυτα ορθή ταξινόμηση όταν έγινε χρήση του συνόλου των αρχιτεκτονικών διαστρεβλώσεων της DDSM. Επιπλέον, αναπτύχθηκε εκπαιδευτικό παιχνίδι με σκοπό την βελτίωση της αποτελεσματικότητας εκπαιδευόμενων ακτινολόγων στην αξιολόγηση μαστογραφιών. Η ανάπτυξη στηρίχθηκε σε λεπτομερή διερεύνηση των σύγχρονων εκπαιδευτικών προσεγγίσεων και προσδιορισμό των ειδικών χαρακτηριστικών που θα πρέπει να συγκεντρώνει ένα τέτοιο παιχνίδι προκειμένου να είναι ευχάριστο στην χρήση και ταυτόχρονα αποτελεσματικό ως προς τους εκπαιδευτικούς του σκοπούς.