Ανάπτυξη Νέων Μεθόδων Ανάλυσης Ψηφιακού Σήματος Και Εικόνας Και Αναγνώριση Προτύπων Σε Ιατρικές Εφαρμογές

Abstract

Σκοπός: Ο σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη και υλοποίηση μεθόδων επεξεργασίας και ανάλυσης ιατρικών εικόνων μικροσκοπίου από υλικό βιοψίας καρκίνου του λάρυγγα καθώς και ο σχεδιασμός και υλοποίηση συστημάτων υποστήριξης διάγνωσης με μεθόδους αναγνώρισης προτύπων με στόχο: α) την διερεύνηση της μεταβολής της δομής του κυττάρου με αυξανόμενο βαθμό κακοήθειας του καρκίνου, β) την διάγνωση του βαθμού κακοήθειας του όγκου και γ) την εκτίμηση της πενταετούς, από πρώτη διάγνωση, επιβίωσης ασθενών με καρκίνο του λάρυγγα.Υλικό και μέθοδοι: Το υλικό προήρχετο από πενήντα πέντε (55) βιοψίες καρκίνου του λάρυγγα, από ισάριθμους ασθενείς, με επιβεβαίωση ως προς τον βαθμό κακοήθειας του όγκου (21-18-16 όγκοι με Ι-ΙΙ-ΙΙΙ βαθμού κακοήθεια, αντίστοιχα). Όλο το ιστοπαθολογικό υλικό παραχωρήθηκε από το τμήμα Παθολογοανατομίας του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου της Πάτρας. Το υλικό βιοψίας είχε ειδικά παρασκευαστεί, είχε χρώση p63, και είχε συσκευαστεί σε ειδικές καλυπτρίδες. Το υλικό ελέγχθηκε σε οπτικό μικροσκόπιο και τέσσερεις εικόνες, ειδικά επιλεγμένες από την έμπειρη παθολογοανατόμο ιατρό, ψηφιοποιήθηκαν προς περεταίρω επεξεργασία. Υλοποιήθηκαν μέθοδοι επεξεργασίας εικόνας και μη-επιβλεπόμενης ταξινόμησης για την τμηματοποίηση της εικόνας και την εύρεση των πυρήνων του κυττάρου που είχαν εκφραστεί με p63 χρώση. Από τους πυρήνες προέκυψαν εξήντα δύο (62) χαρακτηριστικά από την υφή, περίγραμμα, σχήμα, μορφή και διασπορά (συγκέντρωση) των πυρήνων στο κύτταρο και κάθε ασθενής αντιπροσωπεύθηκε από ένα διάνυσμα 62 τιμών, που ήταν οι μέσες τιμές των χαρακτηριστικών από όλους τους πυρήνες στις 4 εικόνες μικροσκοπίου του όγκου. Εξετάστηκε η μεταξύ κατηγοριών (3 κατηγορίες Ι, ΙΙ, ΙΙΙ βαθμού κακοήθεια) διαχωριστική ικανότητα των χαρακτηριστικών, βρέθηκαν εκείνα που είχαν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των κατηγοριών και αναλύθηκε η επίδραση του βαθμού κακοήθειας στην σύσταση της δομής του πυρήνα. Στη συνέχεια, η επεξεργασία μεταφέρθηκε στους επεξεργαστές μίας κάρτας γραφικών και έγινε χρήση παράλληλου προγραμματισμού για τον βέλτιστο σχεδιασμό συστημάτων υποστήριξης απόφασης, λόγω του υπερβολικού φόρτου επεξεργασίας που ήταν χρονικά απαγορευτικός για να πραγματοποιηθεί ο σχεδιασμός στους επεξεργαστές του Η/Υ. Σχεδιάστηκε ένα σύστημα υποστήριξης απόφασης για την διάγνωση του βαθμού κακοήθειας του καρκίνου του λάρυγγα καθώς και ένα άλλο για την εκτίμηση της πιθανότητας πενταετούς επιβίωσης του ασθενούς, χρησιμοποιώντας τον ταξινομητή πιθανοκρατικών νευρωνικών δικτύων (PNN), την εξαντλητική αναζήτηση συνδυασμών χαρακτηριστικών, και των LOO και ECV μεθόδων αξιολόγησης της ακρίβειας ταξινόμησης.Αποτελέσματα-Συμπεράσματα: Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με αυξανόμενο το βαθμό κακοήθειας του καρκίνου του λάρυγγα το ποσοστό P63 έκφρασης μειώνεται, η ένταση απεικόνισης των p63 εκφρασμένων πυρήνων μειώνεται, η υφή των καθίσταται πιο ανομοιογενής, αποτελούμενη από μικρότερα ανόμοια δομικά στοιχεία τυχαία κατανεμημένα, και το σχήμα των πυρήνων καθίσταται περισσότερο ακανόνιστο.Στο σύστημα υποστήριξης διάγνωσης για το βαθμό κακοήθειας, τα ποσοστά διάγνωσης ήταν υψηλά με περίπου 90% συνολική ακρίβεια στην εκτίμηση του βαθμού κακοήθειας στα δεδομένα της μελέτης και για χαρακτηριστικά που σχετίζονταν με την ομοιογένεια της υφής των πυρήνων, των δομών εντός του πυρήνα, και της διασποράς ή συγκέντρωσης των πυρήνων.Στο σύστημα υποστήριξης διάγνωσης για την εκτίμηση της πενταετούς επιβίωσης των ασθενών με καρκίνο του λάρυγγα η ακρίβεια στα δεδομένα της μελέτης ήταν περίπου 90% και τα χαρακτηριστικά που χρησιμοποιήθηκαν στον καλύτερο σχεδιασμό σχετίζονταν με το περιεχόμενο υψηλής συχνότητας της εικόνας του πυρήνα, με την ανισοτροπία στην τυχαιότητα των τόνων της υφής του πυρήνα, με το σχήμα του πυρήνα, και τον βαθμό κακοήθειας του όγκου. Η μελέτη έδειξε επίσης ότι χαρακτηριστικά σχετιζόμενα με την ύπαρξη ακμών στην επιφάνεια του πυρήνα διαχώριζαν στατιστικά σημαντικά τις δύο κατηγορίες πενταετούς επιβίωσης αναδεικνύοντας έτσι το ότι η υφή των πυρήνων των αποβιωσάντων ασθενών ήταν περισσότερο τραχεία σε στατιστικά σημαντικό βαθμό.