Ανάπτυξη Συστήματος Ανάλυσης Εικόνων Και Βίντεο Αυτοφθορίζουσας Βρογχοσκόπησης Με Χρήση Μεθόδων Όρασης Υπολογιστών Και Αναγνώρισης Προτύπων Για Την Ανίχνευση Καρκίνου Του Πνεύμονα Σε Πρώιμα Στάδια

Abstract

Ο καρκίνος του πνεύμονα είναι η συχνότερη νεοπλασία και μία από τις κυριότερες αιτίες θανάτου. Δεδομένης της κακής γενικά πρόγνωσης της νόσου όταν πλέον ανιχνευθεί στην ακτινογραφία θώρακος ή γίνει συμπτωματική, υπάρχει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον για την πρώιμη ανίχνευση των προνεοπλασματικών αλλοιώσεων. Μια από τις σημαντικότερες κλινικές μεθόδους πρώιμης διάγνωσης του καρκίνου του πνεύμονα είναι η Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση (ΑΦΒ), η οποία εντοπίζει παθολογικές περιοχές στον βρογχικό βλεννογόνο βασιζόμενη στον διαφορετικό φθορισμό των φυσιολογικών από τα νεοπλασματικά κύτταρα. Παρά τη δυναμική της, η μέθοδος εμφανίζει ένα σημαντικό μειονέκτημα, το υψηλό ποσοστό εμφάνισης Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων (ΨΘΕ), καθώς η φλεγμονή του βρογχικού βλεννογόνου μπορεί επίσης να φθορίσει σε παρόμοια μήκη κύματος με τον καρκίνο. Επί τούτου πολλές κλινικές μελέτες έχουν εκτελεσθεί και στο σύνολό τους αναφέρουν την εμφάνιση ΨΘΕ σε ποσοστό της τάξης του 30%.Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη συστήματος ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνων και βίντεο ΑΦΒ με στόχο την ορθότερη δυνατή ταξινόμηση των περιοχών παθολογικού φθορισμού έτσι ώστε να επιτευχθεί μείωση των ΨΘΕ, βελτίωση της ευαισθησίας και ειδικότητας του συστήματος και, τελικά, βελτίωση της διαγνωστικής ικανότητας της μεθόδου. Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν εικόνες και βίντεο από 9 ασθενείς που υποβλήθηκαν σε ΑΦΒ στη μονάδα Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Σισμανόγλειου Γ.Ν.Α. Από αυτούς, 3 διαγνώστηκαν με καρκίνο, 3 με φλεγμονή και 3 χωρίς παθολογικά ευρήματα. Συνολικά, επιλέχθηκαν και αναλύθηκαν 200 εικόνες κακοήθειας, 200 εικόνες φλεγμονής και 200 εικόνες φυσιολογικού ιστού. Χρησιμοποιήθηκαν, σε συνδυασμό, εξελιγμένες τεχνικές όρασης υπολογιστών και αναγνώρισης προτύπων προκειμένου να αναγνωριστούν και να προτυποποιηθούν οι περιοχές παθολογικού φθορισμού. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές στο χώρο των wavelets για την αποθορυβοποίηση των εικόνων. Εν συνέχεια αναλύθηκαν περιοχές κακοήθειας, φλεγμονής και φυσιολογικού ιστού με χρήση τεχνικών μετάβασης σε χρωματικούς χώρους και ανάλυσης υφής. Διαπιστώθηκε ότι εφαρμόζοντας μεθόδους ανάλυσης υφής εικόνας στο κανάλι H του χώρου HSV, οι απόλυτες τιμές και η διακύμανση ορισμένων στατιστικών παραμέτρων της υφής διαφέρουν μεταξύ των περιοχών κακοήθειας και φλεγμονής.Με βάση τις μετρήσεις αυτών των χαρακτηριστικών υφής υλοποιήθηκε σύστημα ταξινόμησης των περιοχών ενδιαφέροντος, σε κακοήθεις, φλεγμονώδεις και φυσιολογικές. Κατασκευάστηκαν 4 ταξινομητές προτύπων ιστού (δύο με χρήση στατιστικών μεθόδων ταξινόμησης και δύο με χρήση νευρωνικών δικτύων). Για την αξιολόγηση του συστήματος ταξινόμησης επιλέχθηκαν 180 νέες εικόνες ΑΦΒ από 10 περιστατικά, τα αρχικά 9 και ενός περιστατικού φλεγμονής που δεν χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση των εικόνων. Από τις 180 νέες εικόνες, μόνο 2 ταξινομήθηκαν λανθασμένα, επιτυγχάνοντας έτσι διαχωρισμό των περιοχών κακοήθειας και φλεγμονής σε ποσοστό της τάξης του 98%.Τέλος, βάσει των αποτελεσμάτων, κατασκευάστηκε σύστημα υποστήριξης διάγνωσης προνεοπλασματικών βλαβών στον βρογχικό βλεννογόνο, αποτελούμενο από δύο επιμέρους μονάδες: 1) τη μονάδα επεξεργασίας εικόνας που βελτιστοποιεί την απεικόνιση των περιοχών ενδιαφέροντος επιτρέποντας έτσι στον βρογχοσκόπο να διακρίνει καλύτερα μεταξύ κακοήθειας και ΨΘΕ και 2) τη μονάδα επεξεργασίας βίντεο που αναλύει σε πραγματικό χρόνο το βίντεο ΑΦΒ ανιχνεύοντας την ύπαρξη περιοχών ύποπτων για κακοήθεια. Σε περίπτωση που κάποια περιοχή ταξινομηθεί ως κακοήθεια, πλαισιώνεται κατάλληλα στο βίντεο της ΑΦΒ επισημαίνοντας στον βρογχοσκόπο ότι πρόκειται για ύποπτη περιοχή. Το τελικό σύστημα που αναπτύχθηκε λειτουργεί σε πραγματικό χρόνο και μπορεί να αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο υποβοήθησης της διάγνωσης κατά τη βρογχοσκόπηση και πρώιμης ανίχνευσης του καρκίνου του πνεύμονα.