Υπολογιστική Ανάλυση Μηχανικών Χαρακτηριστικών Του Αρτηριακού Τοιχώματος Από Απεικονιστικές Καταγραφές Με Στόχο Την Υποβοήθηση Της Διάγνωσης Της Καρωτιδικής Αθηρωμάτωσης

Abstract

Το γεγονός ότι η καρωτιδική αθηρωμάτωση αποτελεί τη συχνότερη αιτία πρόκλησης αγγειακών εγκεφαλικών επεισοδίων, τα οποία παρουσιάζουν εξαιρετικά υψηλά επίπεδα θνησιμότητας, νοσηρότητας, και αναπηρίας, τοποθετούν την έγκυρη διάγνωση της νόσου ανάμεσα στις μεγαλύτερες προκλήσεις στον τομέα της βιοϊατρικής τεχνολογίας. Ωστόσο, οι αδυναμίες της σύγχρονης κλινικής πρακτικής, η οποία αξιολογεί τη σοβαρότητα της νόσου με βάση τον βαθμό στένωσης του αρτηριακού αυλού, να ανταποκριθεί σε αυτή την πρόκληση, επιβάλλουν την ανάγκη ανάπτυξης συστημάτων υποβοηθούμενης διάγνωσης (ΣΥΔ). Προς αυτή την κατεύθυνση, η αξιοποίηση της υπερηχογραφικής απεικόνισης, που κατά κανόνα χρησιμοποιείται για τον έλεγχο των ασθενών με καρωτιδική αθηρωμάτωση (υπέρηχος β-σάρωσης), είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη δημιουργία ενός εύκολα - ενσωματώσιμου - στην - καθιερωμένη - πρακτική και χαμηλού - κόστους συστήματος. Η Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην ανάλυση της κίνησης του αρτηριακού τοιχώματος από ακολουθίες εικόνων υπερήχων β-σάρωσης της καρωτίδας, με στόχο την ανάδειξη του έως - τώρα - αδιερεύνητου ρόλου των μηχανικών χαρακτηριστικών στην υποβοήθηση της διάγνωσης της νόσου. Αρχικά, αναπτύχθηκε ένα πλαίσιο, αποτελούμενο από 13 συνθετικές ακολουθίες εικόνων που προσομοιώνουν ρεαλιστικά σενάρια πραγματικών απεικονιστικών καταγραφών, για την αξιολόγηση της καταλληλότητας ενός αλγορίθμου για την ανίχνευση της κίνησης του αρτηριακού τοιχώματος της καρωτίδας από ακολουθίες εικόνων υπερήχων β-σάρωσης. Τα in silico δεδομένα ενσωματώθηκαν σε ένα υπολογιστικό εργαλείο, το οποίο εκτιμά την ακρίβεια και το υπολογιστικό κόστος ενός αλγορίθμου, επιτρέποντας τη βελτιστοποίηση και αξιολόγησή του για τη συγκεκριμένη εφαρμογή.Κατόπιν, αναζητήθηκε κατάλληλος αλγόριθμος, με την έννοια της επαρκούς ακρίβειας και του χαμηλού υπολογιστικού κόστους, ο οποίος μπορεί να εφαρμοστεί για την ανάλυση κίνησης σε απεικονιστικά δεδομένα ασθενών, παράγοντας έγκυρα κλινικά συμπεράσματα. Προς αυτή την κατεύθυνση, αναπτύχθηκαν διαφορετικές μεθοδολογίες, οι οποίες συνοψίζονται σε (α) μεθοδολογίες προσαρμοστικής ταύτισης περιοχών, (β) αλγορίθμους που συνδυάζουν τον κλασικό αλγόριθμο ταύτισης περιοχών με το φίλτρο Kalman, και (γ) πολυκλιμακωτές εκδοχές αλγορίθμων εκτίμησης της κίνησης. Η in silico βελτιστοποίηση και αξιολόγηση των μεθοδολογιών ανέδειξε, ως καταλληλότερες, τρεις από αυτές OFLK(WLS), ABMKF-K2, και ABMFIRF2. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε αλγόριθμος για τον αυτόματο εντοπισμό των αθηρωματικών αλλοιώσεων σε ακολουθίες εικόνων υπερήχων β-σάρωσης με στόχο την ανεξάρτητη - από - το - χρήστη επιλογή περιοχών ενδιαφέροντος, στις οποίες εφαρμόζεται, έπειτα, η μεθοδολογία ανάλυσης της κίνησης. Ο αλγόριθμος αυτός αξιοποιεί συσχετίσεις μεταξύ των μηχανικών χαρακτηριστικών διαφορετικών τμημάτων του αρτηριακού τοιχώματος και βασίζεται σε μεθοδολογίες ευθυγράμμισης εικόνων και κατάτμησης με τη βοήθεια τεχνικής διαμέρισης γράφου, σε υλοποιήσεις με τυχαία πεδία Markov.Έπειτα, επιχειρήθηκε ο σχεδιασμός ενός κατάλληλου ΣΥΔ για την αξιοποίηση των μετρήσεων που προκύπτουν από την ανάλυση κίνησης. Συγκεντρώθηκαν πραγματικές ακολουθίες εικόνων υπερήχων β-σάρωσης της καρωτίδας από ασθενείς με καρωτιδική αθηρωμάτωση δύο νοσοκομείων και ακολουθήθηκε μια σειρά βημάτων που οδήγησαν: (1) στη δημιουργία ενός πλαισίου υπολογισμού ενός μεγάλου εύρους μηχανικών χαρακτηριστικών της αθηρωματικής πλάκας και του υγιούς αρτηριακού τοιχώματος παραπλεύρως αυτής, (2) την επαλήθευση της ισοδύναμης απόδοσης των OFLK(WLS), ABMKF-K2, και ABMFIRF2 στα πραγματικά απεικονιστικά δεδομένα, (3) την υλοποίηση και παραμετροποίηση 15 υποψήφιων σχημάτων ταξινόμησης αθηρωματικών πλακών σε συμπτωματικές και ασυμπτωματικές, και (4) τον εντοπισμό του καταλληλότερου σχήματος ταξινόμησης. Το σχήμα αυτό κατάφερε να επιτύχει ακρίβεια ταξινόμησης ίση με (α) 88% σε ένα δείγμα αποτελούμενο από ισομεγέθη υποσύνολα απεικονιστικών δεδομένων των δύο νοσοκομείων και (β) 96%, όταν τα υποσύνολα δεδομένων του κάθε νοσοκομείου εξετάστηκαν ξεχωριστά. Σε μεγάλο σύνολο δεδομένων, και έπειτα από εφαρμογή του αλγορίθμου SMOTE για εξισορρόπηση του δείγματος, η απόδοση διατηρήθηκε σε υψηλά επίπεδα (92%), ενώ, συνδυάζοντας τα μηχανικά χαρακτηριστικά με δείκτες υφής και βιοχημικές μετρήσεις, η απόδοση ήταν ακόμη καλύτερη (95%). Ακολούθησε περαιτέρω διερεύνηση του ρόλου της κινητικής συμπεριφοράς του αρτηριακού τοιχώματος στην αξιολόγηση της επικινδυνότητας αθηρωματικών αλλοιώσεων της καρωτίδας, μελετώντας, όχι δείκτες, αλλά ολόκληρα πρότυπα κινητικότητας και παραμόρφωσης. Βασιζόμενοι στην υπόθεση ότι τα πρότυπα κινητικότητας και παραμόρφωσης του αρτηριακού τοιχώματος σε περιπτώσεις συμπτωματικής (ή ασυμπτωματικής) καρωτιδικής αθηρωμάτωσης διαφέρουν μεταξύ ασθενών, όπως ακριβώς διαφέρει η προφορά λέξεων μεταξύ ανθρώπων, υλοποιήθηκε ένα ΣΥΔ, ανάλογο συστημάτων αναγνώρισης φωνής, το οποίο βασίζεται σε κρυφά μοντέλα Markov. Κατόπιν βελτιστοποίησης, το ΣΥΔ βασίστηκε σε 22 πρότυπα κινητικότητας και 2 πρότυπα παραμόρφωσης, προσφέροντας ακρίβεια αναγνώρισης συμπτωματικών και ασυμπτωματικών ασθενών, η οποία κυμαίνεται μεταξύ 76% και 79%. Τέλος, τα ευρήματα και αποτελέσματα της διατριβής ενσωματώθηκαν στη διαδικτυακά προσβάσιμη πλατφόρμα CAROTID, οι αρχές σχεδίασης και λειτουργίες της οποίας περιγράφονται λεπτομερώς. Εκτός από την έγκυρη αξιολόγηση της επικινδυνότητας των αθηρωματικών αλλοιώσεων μέσω του ΣΥΔ, η πλατφόρμα στοχεύει, επίσης, στην αποτελεσματική αποθήκευση και ανάκτηση των απεικονιστικών δεδομένων των ασθενών. Σε πρωταρχική αξιολόγηση της πλατφόρμας στο πλαίσιο κλινικής δοκιμής, καταγράφηκαν (α) ικανοποίηση από την πλευρά των τελικών χρηστών αναφορικά με την ευκολία χρήσης, τη χρησιμότητά της, και την προστασία των δεδομένων των ασθενών, και (β) μικροί χρόνοι εκτέλεσης των λειτουργιών. Οι μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της Διδακτορικής Διατριβής βασίζονται μόνο σε δεδομένα του ασθενούς που συλλέγονται στη συνήθη κλινική πρακτική. Κατά συνέπεια, μέσω της ενσωμάτωσής τους σε ένα ολοκληρωμένο εργαλείο διαχείρισης ασθενών με καρωτιδική αθηρωμάτωση, εξελίσσουν και βελτιώνουν μια καθιερωμένη τακτική, εισάγοντας την αντικειμενικότητα στην κλινική πράξη και διατηρώντας χαμηλό το κόστος της εξέτασης.