Συνδυαστική Τρισδιάστατη Υπολογιστική Όραση Και Απεικόνιση Φθορισμού Για Την Αξιολόγηση Καρκινικών Όγκων

Abstract

Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν η επίλυση του αντιστρόφου προβλήματος στη Μοριακή Απεικόνιση Φθορισμού, μέσω της ανάπτυξης ενός διπλά συζευγμένου μοντέλου, το οποίο στηρίζεται στην Εξίσωση Μεταφοράς και την Προσέγγιση Διάχυσης και την κατασκευή μίας βάσης δεδομένων για τη βελτιστοποίηση της χρονικής απόκρισης της μεθόδου. Παράλληλα, στα πλαίσια της έρευνας αντιμετωπίστηκε και το πρόβλημα της τρισδιάστατης ανακατασκευής της επιφάνειας δομών με διάμετρο μικρότερη του 1 cm, μέσω της ανάπτυξης μίας μεθόδου βασιζόμενης στη χρήση του δομημένου φωτός. Για την αξιολόγηση των δύο μεθόδων που παρουσιάζονται στη διατριβή αναπτύχθηκε ένα συνδυαστικό σύστημα τρισδιάστατης υπολογιστικής όρασης και απεικόνισης φθορισμού, το οποίο στην απλούστερη μορφή του, χρησιμοποιήθηκε για τη γεωμετρική ποσοτικοποίηση μη μελανωματικών δερματικών όγκων, και στη συνέχεια με κατάλληλες βελτιστοποιήσεις-διαφοροποιήσεις, για την ανακατασκευή δομών που βρίσκονται στο εσωτερικό ιστών (μη διαυγών μέσων) και οι οποίες έχουν επισημανθεί με κατάλληλους ιχνηθέτες φθορισμού, και η οποία βασίζεται και στα δύο συστήματα.Η ανακατασκευή δομών, οι οποίες βρίσκονται στο εσωτερικό μη διαυγών μέσων και οι οποίες έχουν επισημανθεί με κατάλληλους ιχνηθέτες φθορισμού, προϋποθέτει την επίλυση σύνθετων μαθηματικών μοντέλων, που διακρίνονται σε δύο εξίσου σημαντικά προβλήματα, το εμπρόσθιο και το αντίστροφο πρόβλημα. Το εμπρόσθιο πρόβλημα επιλύθηκε με την ανάπτυξη ενός διπλά συζευγμένου μοντέλου της Εξίσωση Μεταφοράς Ακτινοβολίας και της Προσέγγισης Διάχυσης, συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα και των δύο μοντέλων. Το συνδυαστικό αυτό μοντέλο επιλύθηκε, για πρώτη φορά διεθνώς, για την απεικόνιση φθορισμού με εφαρμογή τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων. Το αντίστροφο πρόβλημα επιλύθηκε συνδυάζοντας τεχνικές υπολογιστικής όρασης και σύγκρισης δεδομένων. Χρησιμοποιώντας ένα πλήθος υπερελλειψοειδών μοντέλων, το εμπρόσθιο πρόβλημα επιλύθηκε για κάθε ένα από αυτά και για κάθε μία από τις θέσεις της ακτινοβολίας διέγερσης, δημιουργώντας μία βάση εικονικών δεδομένων απεικόνισης φθορισμού. Τα στοιχεία της βάσης αυτής χρησιμοποιήθηκαν ως μέτρο σύγκρισης με τα πραγματικά δεδομένα. Μέσω της κατωφλιοποίησης του μέσου τετραγωνικού σφάλματος όλων των συγκρίσεων, εξήχθη το υπερελλειψοειδές εκείνο μοντέλο που περιγράφει καλύτερα τα μετρούμενα διδιάστατα δεδομένα και το οποίο αποτελεί το εξαγόμενο του αντιστρόφου προβλήματος. Με τη χρήση της βάσης δεδομένων επετεύχθη για πρώτη φορά η επίλυση του αντιστρόφου προβλήματος μέσω τεχνικής βασιζόμενης στην Εξίσωση Μεταφοράς, σε χρονικό διάστημα της τάξης των μερικών λεπτών, αποδίδοντας ταυτόχρονα τη δυνατότητα πολλαπλών μετρήσεων στην ίδια κατανομή φθορίζουσας ουσίας. Επιπροσθέτως, μία σημαντική καινοτομία της μεθόδου που αναπτύχθηκε είναι η χρήση των υπερελλειψοειδών μοντέλων, για τη γεωμετρική μοντελοποίηση της κατανομής της υπό μελέτη φθορίζουσας ουσίας, καθώς με τη μεταβολή ενός πλήθους παραμέτρων μπορεί πλήρως αυτοματοποιημένα να προκύψει ένας μεγάλος αριθμός συνθετικών μοντέλων.Αναφορικά με την τρισδιάστατη ανακατασκευή της επιφάνειας δομών με διάμετρο μικρότερη του 1 cm, αναπτύχθηκε ένας σύνθετος αλγόριθμος υπολογιστικής όρασης για την κατάτμηση των λαμβανόμενων εικόνων, την αναγνώριση των στοιχείων του πλέγματος και την εξαγωγή της τρισδιάστατης πληροφορίας. Παρόλο που το πρόβλημα αυτό έχει επιλυθεί για δομές σχετικά μεγάλων διαστάσεων, εν τούτοις υπάρχουν προβλήματα, όπως η ακριβής και ταχεία οπτική γεωμετρική μέτρηση του όγκου αντικειμένων με πολύ μικρές διαστάσεις, τα οποία δεν έχουν αντιμετωπιστεί πλήρως. Η μεθοδολογία η οποία αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής αποτελεί μία από τις ελάχιστες προσπάθειες για την τρισδιάστατη ανακατασκευή της επιφάνειας με πλήρως αυτοματοποιημένο τρόπο, ενώ είναι μία από τις πρώτες μεθόδους που στηρίζονται στην προβολή δομημένου φωτός σε τόσο μικρές δομές. Παράλληλα, στην καινοτομία της μεθόδου συνεισφέρει και η ανάπτυξη μίας πλήρως αυτοματοποιημένης μεθόδου για τον προσδιορισμό της περιοχής ενδιαφέροντος, η οποία σε αντίθεση με το χειρωνακτικό προσδιορισμό της περιμέτρου της περιοχής των περισσότερων σύγχρονων προσεγγίσεων, στηρίζεται στη χρήση των κλειστών περιμέτρων της ανακατασκευασμένης περιοχής, και η οποία επιτρέπει τη γεωμετρική ποσοτικοποίηση της υπό μελέτη δομής.Η τεχνική επίλυσης του αντιστρόφου προβλήματος αξιολογήθηκε μέσω μετρήσεων σε προσομοιωτές βιολογικών ιστών και με τη χρήση ενός συστήματος απεικόνισης φθορισμού το οποίο σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στα πλαίσια της ερευνητικής εργασίας. Το σύστημα αυτό αποτελεί ένα από τα ελάχιστα συστήματα επι-φωτισμού που έχουν αναπτυχθεί διεθνώς, ενώ μία σημαντική του καινοτομία έγκειται στο γεγονός ότι χρησιμοποιείται δομημένη πηγή διέγερσης η οποία πραγματοποιεί σάρωση στην εποπτευόμενη επιφάνεια, προσφέροντας αυξημένη διαφοροποίηση των μετρούμενων δεδομένων φθορισμού. Τέλος στο σύστημα που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά πραγματοποιείται καταγραφή του εκπεμπόμενου φθορισμού με πληροφορία κατεύθυνσης, προσφέροντας εκτός από χωρική διαφοροποίηση και γωνιακή διαφοροποίηση των δεδομένων φθορισμού.Εκτός από το σύστημα απεικόνισης φθορισμού, στα πλαίσια της έρευνας αναπτύχθηκε και ένα διοπτρικό σύστημα μηχανικής όρασης για την αξιολόγηση της τρισδιάστατης ανακατασκευής της επιφάνειας δομών με διάμετρο μικρότερη του 1 cm, με χρήση δομημένου φωτός. Μέσω του συστήματος αυτού, καλύφθηκε η ανάγκη η οποία υφίσταται για μία αντικειμενική μέθοδο ποσοτικοποίησης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών δερματικών αλλοιώσεων, κάτι που η πλέον διαδεδομένη τεχνική ποσοτικοποίησης που είναι η χειρωνακτική μέτρηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών, αποτυγχάνει να αποδώσει. Επιπροσθέτως, η ανάπτυξη ενός μοτίβου δομημένου φωτός με ένα μεγάλο πλήθος γεωμετρικών σχημάτων υπό την κωδικοποίηση των M-arrays συνέβαλε στην ταχεία επίλυση του προβλήματος, απαιτώντας λιγότερο από 20 sec για την τρισδιάστατη ανακατασκευή του εποπτευόμενου πεδίου.Τέλος, με βάση τα τεχνικά χαρακτηριστικά των τριών καμερών, αλλά και του προβολικού συστήματος δομημένου φωτός και της μονάδας διέγερσης, σχεδιάστηκε σε περιβάλλον CAD και κατασκευάστηκε ένας ρομποτικός βραχίονας για τη στήριξη και των δύο συστημάτων, δημιουργώντας ένα συνδυαστικό σύστημα τρισδιάστατης μηχανικής όρασης και απεικόνισης φθορισμού. Η βαθμονόμηση των απεικονιστικών διατάξεων πραγματοποιήθηκε με εφαρμογή της φωτογραμμετρικής μεθόδου, με χρήση τρισδιάστατου αντικειμένου βαθμονόμησης, ενώ η μονάδα διέγερσης βαθμονομήθηκε ως προς το βηματισμό σάρωσης και το μήκος της προβαλλόμενης γραμμής με τεχνικές όρασης υπολογιστών, συνδυάζοντας τα μετρητικά αποτελέσματα και από τις τρεις κάμερες. Μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε προσομοιωτές βιολογικών δειγμάτων απέδειξαν τη δυνατότητα συνδυασμού των αποτελεσμάτων των δύο συστημάτων.Στην παρούσα διατριβή επιζητήθηκε η επίλυση μερικών από τα πλέον σημαντικά ζητήματα που σχετίζονται τόσο με τη Μοριακή Απεικόνιση Φθορισμού όσον και με την τρισδιάστατη ανακατασκευή όγκων με διαστάσεις μικρότερες του 1 cm. Χρησιμοποιώντας μεθοδολογίες που εμπίπτουν στα πεδία της υπολογιστικής όρασης, της μοντελοποίησης και προσομοίωσης, της οπτικής και της βιοφυσικής προτάθηκαν λύσεις για όλα αυτά τα προβλήματα, συνεισφέροντας στην πρόοδο της έρευνας που πραγματοποιείται σήμερα. Επιπροσθέτως, για πρώτη φορά αναπτύχθηκε ένα σύστημα απεικόνισης φθορισμού το οποίο να συνδυάζεται με ένα σύστημα τρισδιάστατης υπολογιστικής όρασης, προσφέροντας τη δυνατότητα μετατροπής των αποτελεσμάτων επίλυσης του αντιστρόφου προβλήματος, στο πραγματικό σύστημα συντεταγμένων, το οποίο αντιστοιχεί στην εποπτευόμενη επιφάνεια και ορίζεται από τη διαδικασία της βαθμονόμησης του συνδυαστικού συστήματος.