Ανάπτυξη Αλγορίθμων Κατάτμησης Εικόνας Με Εφαρμογές Στον Πλοειδισμό Καρκινικών Κυττάρων

Abstract

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η ανίχνευση και ποσοτικοποίηση του πλοειδισμού των καρκινικών κυττάρων με εφαρμογή στη διάγνωση του καρκίνου του προστάτη. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε περιλαμβάνει αρχικά την ανάπτυξη αλγορίθμων για την κατάτμηση εικόνων μικροσκοπίου με σκοπό την απομόνωση των καρκινικών πυρήνων τόσο από το υπόβαθρο, όσο και από τα κυτταρικά συσσωματώματα. Στη συνέχεια υπολογίζεται η ένταση της φωτεινότητας με απώτερο στόχο την ποσοτικοποίηση του περιεχόμενου στους πυρήνες DNA.Συγκεκριμένα, υλοποιήθηκαν αλγόριθμοι για όλα τα στάδια της επεξεργασίας εικόνας, και δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στους αλγόριθμους της κατάτμησή της εικόνας. Υλοποιήθηκαν οι πλέον σημαντικές τεχνικές κατάτμησης, όπως η κατωφλίωση, ένας αριθμός εφαρμογών της τεχνικής watershed και μία εφαρμογή του μετασχηματισμού απόστασης. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν δύο τεχνικές κατωφλίωσης, η τεχνική κατωφλίωσης ελάχιστου σφάλματος των Kittler et al. και η μη παραμετρική μέθοδος κατωφλίωσης του Otsu. Οι δύο αυτές τεχνικές δεν δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα για την κατάτμηση της εικόνας, όμως μπορούν να χρησιμοποιηθούν όπου χρειάζεται διακριτοποίηση τιμών. Από τις δύο μεθόδους, τα καλύτερα αποτελέσματα τα έδωσε η τεχνική του Otsu. Επίσης, εφαρμόστηκε η τεχνική watershed σε εικόνες που περιείχαν πληροφορία για το σχήμα των πυρήνων (μετασχηματισμός απόστασης), σε εικόνες που περιέχουν πληροφορία για τις ακμές των πυρήνων (εικόνα της gradient). Τα αποτελέσματα πάλι δεν ήταν ικανοποιητικά, γιατί παρουσιάστηκε υπέρ-κατάτμηση. Υλοποιήθηκε και μία τρίτη εφαρμογή του αλγορίθμου watershed, όπου έγινε επιλογή των τοπικών ελαχίστων από τα οποία θα ξεκινήσει η εφαρμογή του. Ούτε αυτή τη φορά τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά, γιατί παρουσιάστηκε υπό-κατάτμηση και κάποιοι πυρήνες δεν αναγνωρίστηκαν. Τέλος, αναπτύχθηκε αλγόριθμος που βασίζεται στο μετασχηματισμό απόστασης της εικόνας. Τα αποτελέσματα του αλγορίθμου αυτού κρίθηκαν ικανοποιητικά και χρησιμοποιήθηκαν στην υπόλοιπη εργασία. Έπειτα αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες για το διαχωρισμό των ανεξάρτητων πυρήνων και των συσσωματωμάτων, που βασίζονταν στην κυκλικότητα και τα εμβαδά των αντικειμένων που αναγνωρίστηκαν. Οι αλγόριθμοι αυτοί εφαρμόστηκαν σε μία χαρακτηριστική εικόνα και τα αποτελέσματα που προέκυψαν σε κάθε στάδιο παρουσιάζονται στην εργασία. Ο αλγόριθμος που έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκε στο στάδιο της εξαγωγής χαρακτηριστικών, όπου μετρήθηκε η ένταση της φωτεινότητας καθενός από τους πυρήνες. Η ένταση της φωτεινότητας των πυρήνων μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τον πλοειδισμό των πυρήνων, δηλαδή για τη μέτρηση της περιεχόμενης ποσότητας DNA, αφού η ένταση της φωτεινότητάς ενός επισημασμένου πυρήνα είναι αντιστρόφως ανάλογη της περιεκτικότητάς του σε DNA (όσο περισσότερο DNA περιέχει ο πυρήνας, τόσο περισσότερη χρωστική ουσία απορροφά, συνεπώς το χρώμα του είναι πιο σκούρο και η ένταση της φωτεινότητάς του μικρότερη).Η μεθοδολογία αυτή είναι πολύ χρήσιμη, γιατί προσφέρει τη δυνατότητα αυτόματης κατάτμησης εικόνων μικροσκοπίας και τον υπολογισμό της περιεχόμενης ποσότητας DNA, ανεξάρτητα από πιθανές ανομοιομορφίες της εικόνας. Είναι μια μέθοδος που δεν εξαρτάται από το χρήστη, είναι γρήγορη και οδηγεί σε αντικειμενικά συμπεράσματα.