Αυτόματη Εξαγωγή της Καρωτίδας από Εικόνες Υπερήχου με Τεχνικές Επεξεργασίας Εικόνας
Από RemoteSensing Wiki
ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ: Τρανού Αθανασία
Link: http://dspace.lib.ntua.gr/handle/123456789/46059
Εισαγωγή
Τα καρδιοαγγειακά νοσήματα αποτελούν παγκοσμίως έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες νοσηρότητας και θνησιμότητας. Οι κυριότερες μορφές των καρδιαγγειακών νοσημάτων είναι η στεφανιαία νόσος και το εγκεφαλικό επεισόδιο. Ως αγγειακό εγκεφαλικό επεισόδιο (ΑΕΕ) ορίζεται, σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας, κάθε οξείας έναρξης εστιακή ή γενικευμένη διαταραχή της εγκεφαλικής λειτουργίας που διαρκεί περισσότερο από 24 ώρες και οφείλεται αποκλειστικά σε αγγειακά αίτια. Τα ΑΕΕ χαρακτηρίζονται είτε ως ισχαιμικά είτε ως αιμορραγικά, με τα πρώτα να καταλαμβάνουν το 80% και τα δεύτερα το 20% των περιπτώσεων. Οι παράγοντες κινδύνου των ΑΕΕ ποικίλουν και μπορεί να είναι γενετικοί, αγγειακοί και παράγοντες που σχετίζονται με τον τρόπο ζωής. Η εργασία επικεντρώνεται σε έναν από τους προαναφερθέντες παράγοντες των ΑΕΕ και συγκεκριμένα σε εκείνον της στένωσης των καρωτίδων, τη λεγόμενη αθηρωματική νόσο. Στις αθηρωματικές πλάκες των καρωτίδων οφείλεται η πλειονότητα των ισχαιμικών εμβολικών εμφραγμάτων. Ο στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι να εξαχθούν αυτόματα και να χαρακτηριστούν οι αθηρωματικές πλάκες από εικόνες υπερήχου καρωτίδων (b-mode). Στην συνέχεια, οι αθηρωματικές πλάκες που εντοπίζονται και χαρακτηρίζονται ως προς την σύσταση τους. Για την επίτευξη του στόχου χρησιμοποιήθηκαν 12 εικόνες υπερήχου οι οποίες υπέστησαν επεξεργασία με τεχνικές επεξεργασίας εικόνας ώστε να εξαχθούν οι πιθανές περιοχές της καρωτίδας, ως δυαδική εικόνα. Κατόπιν οι εικόνες υπερήχου καρωτίδας (τόνων του γκρι) σε συνδυασμό με τις δυαδικές εικόνες, χρησιμοποιήθηκαν για την δημιουργία της ασαφούς βάσης γνώσης που με βάση την αντικειμενοστρεφή ανάλυση υλοποιείται ο εντοπισμός και ο χαρακτηρισμός της αθηρωματικής πλάκας.
Αθηρωματική Πλάκα
Η αθηρωματική νόσος (αθηροσκλήρωση) είναι μια προοδευτική νόσος που μπορεί θεωρητικά να προσβάλει οποιοδήποτε κλάδο του αγγειακού δέντρου. Είναι αποτέλεσμα μιας περίπλοκης παθολογικής διαδικασίας. Η αθηρωματική πλάκα δημιουργείται από την εναπόθεση λιπιδίων, χοληστερόλης, μακροφάγων, κυτταρικών αποβλήτων και ασβεστίου στα τοιχώματα των αρτηριών. H συχνότερη περιοχή εντόπισης των αθηρωματικών πλακών στις καρωτίδες είναι ο διχασμός (bifurcation point) και ειδικότερα το αρχικό τμήμα της έσω καρωτίδας. Η μεγάλου βαθμού στένωση της έσω καρωτίδας, ειδικά όταν ξεπερνά το 70%, αυξάνει σημαντικά το κίνδυνο εμφάνισης εγκεφαλικού επεισοδίου. Στόχος είναι να αποφευχθεί το ισχαιμικό εγκεφαλικό επεισόδιο ακόμα και στις περιπτώσεις που η στένωση είναι μικρότερη από 70%. Σε περιπτώσεις που διαγνωστεί αθηρωματική νόσος ελαφριάς μορφής, η θεραπεία περιορίζεται σε φαρμακευτική αγωγή.
Μέθοδοι Απεικόνισης Καρωτίδων
Η κύρια απεικονιστική μέθοδος για τη διάγνωση της νόσου των καρωτίδων είναι το υπερηχογράφημα έγχρωμης ροής το οποίο δίνει την δυνατότητα να μελετηθεί η ταχύτητα ροής του αίματος στην περιοχή της στένωσης της καρωτίδας. Η πιο συνήθης μέθοδος αξιοποίησης των υπερήχων στην ιατρική επιστήμη ονομάζεται Β mode. Ουσιαστικά, η απεικόνιση αυτή βασίζεται στην αναπαράσταση της έντασης των ανακλάσεων στις κυψελίδες (picture elements ή pixels) με τη χρήση της κλίμακας του γκρίζου. Η απεικόνιση αυτή χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό αθηρωματικής πλάκας αλλά και για αξιολόγηση περί της συστάσεώς της. Είναι σημαντικό να επισημανθούν πως απεικονίζονται σε εικόνες υπερήχου τα εξής στοιχεία: έσω, μέσο και έξω χιτώνας, καρωτιδικός αυλός, αθηρωματική πλάκα. Η αθηρωματική πλάκα μπορεί να χαρακτηριστεί ως προς την ηχογένεια της με βάση την συνολική φωτεινότητα της πλάκας ως:
Υποηχοϊκή πλάκα,η οποία έχει ηχογένεια μικρότερη του στερνοκλειδομαστοειδή μυός και παρόμοια με εκείνη του αυλού της αρτηρίας.
Υπερηχογενής πλάκα με ηχογένεια μεγαλύτερη του στερνοκλειδομαστοειδή μυός.
Οι πλάκες, που δημιουργούνται από άλατα ασβεστίου, χαρακτηρίζονται ως επασβεστωμένες πλάκες και στο υπερηχογράφημα έχουν πολύ αυξημένη ηχογένεια. Οι επασβεστωμένες και οι υπερηχογενείς πλάκες είναι σταθερές και σχετίζονται με μικρό κίνδυνο ισχαιμικού εμφράγματος. Οι υποηχοϊκές είναι μαλακές πλάκες, ασταθείς, με μεγάλη πιθανότητα να ραγούν ή να μεγαλώσουν τόσο που θα προκαλέσουν σοβαρή στένωση του αυλού της αρτηρίας.
Έγχρωμη Απεικόνιση Doppler
Η διδιάστατη εικόνα Β – mode παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη μορφολογία της καρωτίδας. Η μέθοδος αυτή, συνδυάζεται και με έγχρωμη απεικόνιση Doppler, ώστε να απεικονίζεται και η ροή του αίματος. Ο συνδυασμός των μεθόδων δίνει αξιοπιστία και μεγάλη ευαισθησία στην εικόνα της καρωτιδικής στένωσης. Η απόχρωση, η πληρότητα (απαλό ή βαθύ χρώμα) και η φωτεινότητα (φωτεινό ή σκοτεινό χρώμα) του χρώματος στο έγχρωμο Doppler υπερηχογράφημα έχουν συγκεκριμένη ερμηνεία. Το κόκκινο χρώμα δηλώνει την διεύθυνση της ροής του αίματος στις αρτηρίες και το μπλε την αντίθετη σε αυτή διεύθυνση. Το μπλε που παρατηρείται σε ορισμένα σημεία όταν εξετάζεται αρτηρία συνδέεται με την στροβιλώδη ροή που δημιουργείται εντός του αυλού. Επίσης η πληρότητα δηλώνει τον όγκο ροής και η λαμπρότητα αφορά τις τιμές των ταχυτήτων συγκεκριμένα οι χαμηλές ταχύτητες απεικονίζονται με βαθύ- σκοτεινό χρώμα ενώ οι υψηλές ταχύτητες έχουν φωτεινό και ανοιχτό χρωματικό σήμα.
Μεθοδολογία
Η μεθοδολογία αποτελείται από δύο μέρη, καθώς για να επιτευχθεί ο στόχος έγινε, αρχικά, επεξεργασία των εικόνων υπερήχου για την εξαγωγή της καρωτίδας και στην συνέχεια αντικειμενοστρεφής ανάλυσης για τον εντοπισμό και χαρακτηρισμό των αθηρωματικών πλακών.
Στο στάδιο της προεπεξεργασίας δοκιμάστηκαν δύο φίλτρα τα οποία εξομαλύνουν την εικόνα αλλά ταυτόχρονα διατηρούν τις ακμές, το φίλτρο ανισοτροπικής διάχυσης και το καθοδηγούμενο φίλτρο.
Τα φίλτρα εφαρμόστηκαν σε 11 συνολικά εικόνες. Τα αποτελέσματα των δύο φίλτρων είναι παρόμοια και κρίθηκε αμελητέα η διαφορά τους. Τελικά επιλέχθηκε το καθοδηγούμενο φίλτρο επειδή θεωρείται πιο γρήγορο.
Στο επόμενο στάδιο της προεπεξεργασίας χρησιμοποιήθηκαν φίλτρα ώστε να ενισχυθούν τα χαρακτηριστικά του έξω χιτώνα. Στο βήμα αυτό έγινε φιλτράρισμα με πολύ μεγάλη τυπική απόκλιση του φίλτρου Gauss, επομένως οι εικόνες που προκύπτουν είναι πολύ θολές, σε βαθμό που δεν ξεχωρίζουν τα αντικείμενα της εικόνας. Η εικόνα που προέκυψε από το καθοδηγούμενου φίλτρου (Guided Filter), αφαιρείται από τη φιλτραρισμένη εικόνα με Gauss, ώστε να διατηρηθούν οι υψηλές συχνότητες. Όταν χρησιμοποιήθηκε φίλτρο Gauss μεγάλης τυπικής απόκλισης, το αποτέλεσμα της αφαίρεσης αναδείκνυε τα αντικείμενα υψηλών συχνοτήτων καθώς αφαιρούσε τον θόρυβο εντός των σκούρων περιοχών.
Έπειτα έπρεπε να αναδειχθούν τα επιμήκη αντικείμενα υψηλών συχνοτήτων γι’ αυτό το σκοπό εφαρμόστηκε η συνάρτηση fibermetric.
Επεξεργασία με Μορφολογικούς Τελεστές και Εφαρμογή Αλγορίθμου Κατάτμησης
Έπειτα, ακολούθησε επεξεργασία με μορφολογικούς τελεστές και εφαρμογή αλγορίθμου κατάτμησης. Ο στόχος των μορφολογικών τελεστών είναι να γίνει διόρθωση των ορίων ενώ της κατάτμησης είναι να μετατραπεί η καρωτίδα σε ένα αντικείμενο. Μετά, λοιπόν, την εφαρμογή του φίλτρου ενίσχυσης των επιμηκών αντικειμένων έγινε κατωφλίωση με την χρήση της μεθόδου Otsu, έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια δυαδική εικόνα. Ουσιαστικά, το στάδιο αυτό αποτελεί το τελευταίο στάδιο της προεπεξεργασίας. Οι παρακάτω εικόνες παρουσιάζουν τα αποτελέσματα του αλγορίθμου στην εικόνα δεδομένων 1.
Το αποτέλεσμα του αλγορίθμου για την Εικόνα Δεδομένων 1, είναι καλό. Η πληροφορία του μέσω και έσω χιτώνα και της πλάκας είναι εντός του αντικειμένου του προσκηνίου της δυαδικής εικόνας.
Ταξινόμηση Μέσω Αντικειμενοστρεφούς Ανάλυσης
Ο στόχος του υποκεφαλαίου είναι με την χρήση της δυαδικής εικόνας, που δημιουργήθηκε από τον αλγόριθμο εξαγωγής των πιθανών περιοχών καρωτίδας, και την αντικειμενοστρεφή ανάλυση να ταξινομηθούν τα διάφορα στοιχεία που υπάρχουν σε μια εικόνα υπερήχου καρωτίδας και τελικώς να χαρακτηριστεί η αθηρωματική πλάκα. Ουσιαστικά η δυαδική εικόνα χρησιμοποιήθηκε έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια περιοχή που θα κατατμηθεί και θα ταξινομηθεί για να εντοπιστεί και να χαρακτηριστεί η πλάκα.
Να σημειωθεί ότι η ζώνη πολύ αυξημένης φωτεινότητας, που βρίσκεται μεταξύ της έσω και της έξω καρωτίδας, ονομάστηκε συμβατικά διχασμός “bifurcation. Η ζώνη πολύ αυξημένης φωτεινότητας, που βρίσκεται μεταξύ της έσω και της έξω καρωτίδας, ονομάστηκε συμβατικά διχασμός “bifurcation.
Υλοποίηση Αντικειμενοστρεφούς Ανάλυσης
Η υλοποίηση της διαδικασίας ανάλυσης και ταξινόμησης περιλαμβάνει 7 επίπεδα.
• Επίπεδο 1: Διαχωρισμός της Αρτηρίας Καρωτίδας (interest area l1) από τους Υπόλοιπους Ιστούς (others l1).
• Επίπεδο 2: Προσδιορισμός τριών κατηγοριών Αυλού (lumen l2), Διχασμού (bifurcation l2) και Αθηρωματική Πλάκα_ή_Τοίχωμα (atheromatous plaque_or_wall of artery l2).
• Επίπεδο 3: Επαναπροσδιορισμός των κατηγοριών: Αθηρωματική Πλάκα_ή_Τοίχωμα (atheromatous plaque_or_wall of artery l3), Αυλού (lumen l3) και Διχασμού (bifurcation l3) και δημιουργία κατηγορίας Αθηρωματική Πλάκα (ενδεχόμενη) (atheromatous plaque (like) l3).
• Επίπεδο 4: Επανεξέταση της κατηγορίας Αθηρωματική Πλάκα (ενδεχόμενη) (atheromatous plaque (like) l4) για το εάν θα καταταγεί ή όχι στην κατηγορία Αθηρωματική Πλάκα_ή_Τοίχωμα (atheromatous plaque_or_wall of artery l4).
• Επίπεδο 5: Διαχωρισμός της κατηγορίας Αθηρωματική Πλάκα_ή_Τοίχωμα σε : Αθηρωματική Πλάκα (atheromatous plaque l5), Τοίχωμα Φυσιολογικού Πάχους (normal thickness of the carotid arterial wall l5) και Πάχυνση του Τοιχώματος (thickening of the carotid arterial wall l5).
• Επίπεδο 6: Ανάλυση σύστασης της Αθηρωματικής Πλάκας σε τρείς κατηγορίες φωτεινότητας: υψηλή (calcification) – ενδιάμεση (mixed)– χαμηλή (cholesterol).
• Επίπεδο 7: Ταξινόμηση Αθηρωματικής Πλάκας σε τρεις κατηγορίες: Τύπος 1 (Type 1) - Τύπος 2 (Type 2) – Τύπος 3 (Type 3).
Αξιολόγηση Σταθερότητας της Ταξινόμησης “Classification Stability”
Το επόμενο βήμα είναι να αξιολογηθεί η μέθοδος και η ακρίβεια της. Γραφικώς, τα αντικείμενα που απεικονίζονται με πράσινο είναι αυτά που ταξινομήθηκαν με τη μικρότερη αμφισβήτηση ενώ αντίθετα όσα απεικονίζονται με κόκκινο χρώμα έχουν μεγαλύτερη.
Παρατηρείται σταθερότητα για όλες τις κατηγορίες του επιπέδου 3 της Εικόνας Δεδομένων 1. Ο έλεγχος εφαρμόστηκε σε όλα τα επίπεδα και σε όλες τις εικόνες.
Αξιολόγηση Αποτελεσμάτων μέσω Εικόνων Αναφοράς
Ο στόχος του συγκεκριμένου υποκεφαλαίου είναι να γίνει αξιολόγηση των αποτελεσμάτων με την χρήση Εικόνων Αναφοράς. Οι κατηγορίες που θα αξιολογηθούν είναι οι εξής :
1. Αυλός (lumen) ,
2. Γειτονικοί ιστοί (others),
3. Αθηρωματική πλάκα ή τοίχωμα αρτηρίας (atheromatous plaque_or_wall of artery)
4. Διχασμός (bifurcation)
Πιο συγκεκριμένα στις εικόνες αναφοράς και στις εικόνες ταξινόμησης που χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση:
• Ο αυλός (lumen) , εμφανίζεται με άσπρο χρώμα
• Οι γειτονικοί ιστοί (others), εμφανίζονται με μαύρο χρώμα
• Η αθηρωματική πλάκα ή τοίχωμα αρτηρίας (atheromatous plaque_or_wall of artery), εμφανίζεται με σκούρο τόνο του γκρι
• Ο διχασμός (bifurcation), εμφανίζεται με ανοιχτό τόνο του γκρι
Η αξιολόγηση μεταξύ των δύο εικόνων (εικόνα ταξινόμησης – εικόνα αναφοράς) έγινε με βάση τους δείκτες πληρότητας (completeness), ορθότητας (correctness) και ποιότητας (quality).
Η ταξινόμηση στην Εικόνα Δεδομένων 1 έχει υψηλή πληρότητα, ορθότητα και συνολική ποιότητα, σε ποσοστά μεγαλύτερα από 90% για τις κατηγορίες “others” και “lumen”. Η κατηγορία “atheromatous plaque_or_wall of artery” ταξινομείται με υψηλή πληρότητα (96%) ενώ έχει χαμηλότερα ποσοστά ορθότητας και ποιότητας (73% και 71% αντίστοιχα). Αυτό σημαίνει ότι ο αλγόριθμος εντόπισε αντικείμενα της κατηγορίας “atheromatous plaque_or_wall of artery” τα οποία δεν υπάρχουν στην εικόνα αναφοράς. Στο πάνω μέρος το τοίχωμα στην Εικόνα Δεδομένων 1 εμφανίζεται με μεγάλη ασάφεια και η αντίστοιχη εικόνα doppler δεν είναι ακριβώς στο ίδιο σημείο τραβηγμένη.
Συμπεράσματα
Ο αλγόριθμος εξαγωγής των πιθανών περιοχών καρωτίδας είχε συνολικά πολύ καλά αποτελέσματα σε όλες τις εικόνες. Τα αποτελέσματα της ταξινόμησης γενικότερα κρίνονται ικανοποιητικά. Όλες οι πλάκες ιατρικού ενδιαφέροντος εντοπίστηκαν και καμία δεν ταξινομήθηκε ως αυλός κάτι που είναι πολύ σημαντικό.
