Development of image registration methods for aided diagnosis and monitoring in computed tomography
The term interstitial lung disease (ILD) refers to more than 200 chronic lung disorders that are classified to the same group because of their similar clinical, radiological, physiologic and pathologic features [1]. Accurate chest CT quantification of ILD extent is crucial for patient management, si...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Μορφή: | Thesis |
Γλώσσα: | Greek |
Έκδοση: |
2017
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/10258 |
id |
nemertes-10889-10258 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
Greek |
topic |
Computed tomography interstitial lung disease Image registration Υπολογιστική τομογραφία Διάμεση πνευμονική νόσος Αντιστοίχηση εικόνων 616.075 722 |
spellingShingle |
Computed tomography interstitial lung disease Image registration Υπολογιστική τομογραφία Διάμεση πνευμονική νόσος Αντιστοίχηση εικόνων 616.075 722 Βλαχόπουλος, Γεώργιος Development of image registration methods for aided diagnosis and monitoring in computed tomography |
description |
The term interstitial lung disease (ILD) refers to more than 200 chronic lung disorders that are classified to the same group because of their similar clinical, radiological, physiologic and pathologic features [1]. Accurate chest CT quantification of ILD extent is crucial for patient management, since no robust biomarkers for monitoring disease progression exist [2]. Chest computed tomography, (CT) imaging is a powerful modality for detection, diagnosis, and follow up of interstitial lung Disease. CT bases assessment of ILD extent estimation is performed by several semi-quantitative scoring systems, estimating extent, utilizing high-resolution CT (HRCT) protocols [3], which are deprived of information regarding localization of disease, demonstrating moderate inter- and intra-observer agreement [4]. Thus, ILD extent estimation (quantification) and progression by means of advanced image analysis methods, is emerging offering increased accuracy and reproducibility. [5][6][7].
In the frame of quantitative image-based follow-up ILD monitoring and response to therapy in CT, image registration methods have the important role to ensure that any measured volume change between follow-up scans is caused by ILD patterns change and not by patient’s breathing or positioning during CT scanning.
Multiresolution non-rigid registration, capable for capturing local lung tissue deformations, accounts for a commonly used approach for lung CT registration utilized in all resolution levels (fully non rigid schemes), or in combination with rigid transforms applied in low resolution levels (hybrid schemes).
Up-to-now only one study has reported on ILD follow-up monitoring, utilizing deformable image registration (DIR) [8]. However, registration scheme parameters were adopted rather than obtained from a systematic analysis taking in to account their effect to registration accuracy.
Evaluation methods for DIR accuracy assessment in CT of the thorax has receive considerable attention in the frame of adaptive radiotherapy [9], however remains an open issue [10][11]. The current thesis addresses, selection of optimal registration schemes in case of ILD follow-up in CT. The current thesis addresses selection of suitable multiresolution registration schemes for CT based follow up analysis of ILD with the following specific objectives:
• Development of an evaluation methodology to obtain high accuracy schemes
• Analyzing the effect of scheme components on both registration accuracy and time efficiency
• Investigation of the effect of mass preserving cost function to registration accuracy and time efficiency.
• Investigation of the effect of regularization term in artificially generated follow up data.
The evaluation methodology, considers two stages: the first stage utilizes artificially warped ILD follow-up data to identify candidate registration schemes, while in the second stage the performance of candidate schemes, identified in the first stage, are verified with clinical follow-up data . At the first stage, the determinant of the Jacobian matrix of the each voxel of deformation field is the main tool to identify schemes including folding areas to be excluded from subsequent analysis. The performance of the remaining schemes is assessed and ranked in terms of their displacement error in two anatomical regions, i.e. Normal Lung Parenchyma (NLP) and ILD affect regions, by means of Euclidean distance of homologus points between baseline and register follow up pair. Statistical analysis was performed to select near optimal schemes, considering both NLP and ILD ranking lists of candidate schemes. In the second stage, evaluation of registration accuracy of candidate registration schemes is verified on their clinical follow up volumetric scans using the displacement error as well. Finally selected registration schemes, was also performed by statistical analysis, considering both NLP and ILD ranking lists of near optimal schemes.
A clinical dataset consisting of 10 pairs of CT scans corresponding to 10 patients diagnosed with ILD secondary to connective tissue diseases, radiologically manifested with ground glass and reticular patterns, at two different times, abstaining in time approximately two years was acquired. The total extent of ILD presence in these 10 scans ranges from 5% to 80% (mean value: 32%).
Artificial warped data [12] is introduced to ensure that registration error is caused by registration algorithm alone and not by intrinsic data variability. Artificially warped data were generated using a single level non rigid thin plate kernel spline model and applied to baseline lung segments, resulting in artificial follow up lung segment simulating realistically lung deformations, preserving size and slice thickness of the original data set.
The basic components of a typical registration schemes are the transformation model, the cost function the optimizer and the type of pyramid used. A total of 128 registration schemes was generated, by considering the following combinations of components: Four (4) transformations: Euler Transform - ET, Similarity Transform - SM, Affine Transform - AT, and 3rd order B-spline Transform - BST, applied to the first 3 resolution levels of the pyramid in order to obtain a coarse initial alignment, while the 3rd order B-Spline transform was utilized for the 4th resolution level, corresponding to the highest image resolution, in all schemes generated. Although fully non-rigid transformation models seem the natural choice for lung field registration due to the elastic nature of the lung tissue, hybrid schemes (including rigid and non rigid transformation models in different resolution levels), are also been recently proposed. As the optimizer accounts as for a critical component of the registration process, 4 gradient decent optimizers were utilized for the optimization step: SGD, regular step gradient decent - RSGD, adaptive stochastic gradient decent - ASGD and finite difference gradient decent - FDGD. Additionally, two 2 types of pyramids were considered: Gaussian Pyramid - GP, that applies smoothing and downsampling by a factor of 2 in all three dimensions, and Recursive Pyramid – RP, that applies no smoothing but only downsampling by a factor of 2 in all three dimensions. Finally, 4 different cost functions were considered (Sum of Square Difference – SSD, Normalized Correlation Coefficient – NCC, Mutual Information – MI, and Normalized Mutual Information – NMI). Taking in to account, the susceptibility of SSD cost function to air quantity inside the lungs [13][14], due to varying breathing phase, a mass preserving variant of SSD was also considered in a separate experiment .
All registration schemes evaluated in this study, are intensity based and utilize the multiresolution approach to avoid local minimum traps and speed-up calculations, using Elastix version 4.5, based on the open source software Insight Toolkit (ITK) version 4.0.
Additionally, the impact of regularization constrains to select candidate schemes is addressed in a final experiment, considering schemes excluded in the first stage of the evaluation methodology. [15] Specifically, a bending energy regularization term is added to each one of the above 4 cost functions was applied to artificially warped data, to constrain irregular deformations (folding areas).
Taking into account the variability of the hardware used, due to large scale of the experiment, an empirical scale of computational time performance was introduced. Taking into account that the major parameters affecting registration time performance are the selected pyramid and the type of optimizer used, 4 scales of time performance are considered from the slowest (1) to the fastest (4).
16 out of 128 near optimal registration schemes registration were initially obtained by the first first evaluation stage based on artificially generated follow up data. These schemes obtained sub-millimeter registration accuracies in terms of average distance errors 0.18 ± 0.01 mm for NLP and 0.20 ± 0.01 mm for ILD, respectively. Verification of registration accuracy in terms of average distance error in clinical follow-up data was in the range of 1.985-2.156 mm and 1.966-2.234 mm, for NLP and ILD affected regions respectively, excluding schemes with statistically significant lower performance (Wilcoxon signed-ranks test, p<0.05), resulting in 13 finally selected registration schemes, highlighting the efficiency of the stage of the evaluation stage. The observed difference in registration accuracy between the two evaluation stages may be attributed to the fact that the artificially warped scan pairs simulate lung deformations as a result of breathing, without taking into account disease progression/regression.
All 13 finally selected registration schemes in case of ILD CT follow-up analysis are hybrid and include the ASGD optimizer [16], providing high accuracy and time efficiency. Additionally, the proposed pyramid is RP, as it was included in 10 out of 13 finally selected registration schemes.
Regarding the impact of mass preserving cost function to registration accuracy, statistical analysis of the obtained results indicates that adding a mass preserving term in the SSD cost function, has no practical contribution in registration performance, in case of full inspiration breath-hold protocol in the framework of ILD CT follow up analysis, while its omission significantly reduces the computational cost of about a factor of 3. The introduction of a regularization term, contributes to 6 additional near optimal registration schemes in the first stage, however without statistically significantly higher accuracy compared to the 16 original selected near optimal schemes. Finally, considering computational costs, the introduction of binding energy penalty term, increases computational cost by a factor of 4 providing however about 4 times higher computational cost. |
author2 |
Κωσταρίδου, Ελένη |
author_facet |
Κωσταρίδου, Ελένη Βλαχόπουλος, Γεώργιος |
format |
Thesis |
author |
Βλαχόπουλος, Γεώργιος |
author_sort |
Βλαχόπουλος, Γεώργιος |
title |
Development of image registration methods for aided diagnosis and monitoring in computed tomography |
title_short |
Development of image registration methods for aided diagnosis and monitoring in computed tomography |
title_full |
Development of image registration methods for aided diagnosis and monitoring in computed tomography |
title_fullStr |
Development of image registration methods for aided diagnosis and monitoring in computed tomography |
title_full_unstemmed |
Development of image registration methods for aided diagnosis and monitoring in computed tomography |
title_sort |
development of image registration methods for aided diagnosis and monitoring in computed tomography |
publishDate |
2017 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/10258 |
work_keys_str_mv |
AT blachopoulosgeōrgios developmentofimageregistrationmethodsforaideddiagnosisandmonitoringincomputedtomography AT blachopoulosgeōrgios anaptyxēmethodōnantistoichisēseikonasgiaypoboēthēsēdiagnōsēskaiparakolouthēsēstēnypologistikētomographia |
_version_ |
1771297358243430400 |
spelling |
nemertes-10889-102582022-09-05T20:29:30Z Development of image registration methods for aided diagnosis and monitoring in computed tomography Ανάπτυξη μεθόδων αντιστοίχισης εικόνας για υποβοήθηση διάγνωσης και παρακολούθηση στην υπολογιστική τομογραφία Βλαχόπουλος, Γεώργιος Κωσταρίδου, Ελένη Κωσταρίδου, Ελένη Παναγιωτάκης, Γεώργιος Περαντώνης, Σταύρος Φωτόπουλος, Σπύρος Πέτσας, Θεόδωρος Καλογεροπούλου, Χριστίνα Πρατικάκης, Ιωάννης Vlachopoulos, Georgios Computed tomography interstitial lung disease Image registration Υπολογιστική τομογραφία Διάμεση πνευμονική νόσος Αντιστοίχηση εικόνων 616.075 722 The term interstitial lung disease (ILD) refers to more than 200 chronic lung disorders that are classified to the same group because of their similar clinical, radiological, physiologic and pathologic features [1]. Accurate chest CT quantification of ILD extent is crucial for patient management, since no robust biomarkers for monitoring disease progression exist [2]. Chest computed tomography, (CT) imaging is a powerful modality for detection, diagnosis, and follow up of interstitial lung Disease. CT bases assessment of ILD extent estimation is performed by several semi-quantitative scoring systems, estimating extent, utilizing high-resolution CT (HRCT) protocols [3], which are deprived of information regarding localization of disease, demonstrating moderate inter- and intra-observer agreement [4]. Thus, ILD extent estimation (quantification) and progression by means of advanced image analysis methods, is emerging offering increased accuracy and reproducibility. [5][6][7]. In the frame of quantitative image-based follow-up ILD monitoring and response to therapy in CT, image registration methods have the important role to ensure that any measured volume change between follow-up scans is caused by ILD patterns change and not by patient’s breathing or positioning during CT scanning. Multiresolution non-rigid registration, capable for capturing local lung tissue deformations, accounts for a commonly used approach for lung CT registration utilized in all resolution levels (fully non rigid schemes), or in combination with rigid transforms applied in low resolution levels (hybrid schemes). Up-to-now only one study has reported on ILD follow-up monitoring, utilizing deformable image registration (DIR) [8]. However, registration scheme parameters were adopted rather than obtained from a systematic analysis taking in to account their effect to registration accuracy. Evaluation methods for DIR accuracy assessment in CT of the thorax has receive considerable attention in the frame of adaptive radiotherapy [9], however remains an open issue [10][11]. The current thesis addresses, selection of optimal registration schemes in case of ILD follow-up in CT. The current thesis addresses selection of suitable multiresolution registration schemes for CT based follow up analysis of ILD with the following specific objectives: • Development of an evaluation methodology to obtain high accuracy schemes • Analyzing the effect of scheme components on both registration accuracy and time efficiency • Investigation of the effect of mass preserving cost function to registration accuracy and time efficiency. • Investigation of the effect of regularization term in artificially generated follow up data. The evaluation methodology, considers two stages: the first stage utilizes artificially warped ILD follow-up data to identify candidate registration schemes, while in the second stage the performance of candidate schemes, identified in the first stage, are verified with clinical follow-up data . At the first stage, the determinant of the Jacobian matrix of the each voxel of deformation field is the main tool to identify schemes including folding areas to be excluded from subsequent analysis. The performance of the remaining schemes is assessed and ranked in terms of their displacement error in two anatomical regions, i.e. Normal Lung Parenchyma (NLP) and ILD affect regions, by means of Euclidean distance of homologus points between baseline and register follow up pair. Statistical analysis was performed to select near optimal schemes, considering both NLP and ILD ranking lists of candidate schemes. In the second stage, evaluation of registration accuracy of candidate registration schemes is verified on their clinical follow up volumetric scans using the displacement error as well. Finally selected registration schemes, was also performed by statistical analysis, considering both NLP and ILD ranking lists of near optimal schemes. A clinical dataset consisting of 10 pairs of CT scans corresponding to 10 patients diagnosed with ILD secondary to connective tissue diseases, radiologically manifested with ground glass and reticular patterns, at two different times, abstaining in time approximately two years was acquired. The total extent of ILD presence in these 10 scans ranges from 5% to 80% (mean value: 32%). Artificial warped data [12] is introduced to ensure that registration error is caused by registration algorithm alone and not by intrinsic data variability. Artificially warped data were generated using a single level non rigid thin plate kernel spline model and applied to baseline lung segments, resulting in artificial follow up lung segment simulating realistically lung deformations, preserving size and slice thickness of the original data set. The basic components of a typical registration schemes are the transformation model, the cost function the optimizer and the type of pyramid used. A total of 128 registration schemes was generated, by considering the following combinations of components: Four (4) transformations: Euler Transform - ET, Similarity Transform - SM, Affine Transform - AT, and 3rd order B-spline Transform - BST, applied to the first 3 resolution levels of the pyramid in order to obtain a coarse initial alignment, while the 3rd order B-Spline transform was utilized for the 4th resolution level, corresponding to the highest image resolution, in all schemes generated. Although fully non-rigid transformation models seem the natural choice for lung field registration due to the elastic nature of the lung tissue, hybrid schemes (including rigid and non rigid transformation models in different resolution levels), are also been recently proposed. As the optimizer accounts as for a critical component of the registration process, 4 gradient decent optimizers were utilized for the optimization step: SGD, regular step gradient decent - RSGD, adaptive stochastic gradient decent - ASGD and finite difference gradient decent - FDGD. Additionally, two 2 types of pyramids were considered: Gaussian Pyramid - GP, that applies smoothing and downsampling by a factor of 2 in all three dimensions, and Recursive Pyramid – RP, that applies no smoothing but only downsampling by a factor of 2 in all three dimensions. Finally, 4 different cost functions were considered (Sum of Square Difference – SSD, Normalized Correlation Coefficient – NCC, Mutual Information – MI, and Normalized Mutual Information – NMI). Taking in to account, the susceptibility of SSD cost function to air quantity inside the lungs [13][14], due to varying breathing phase, a mass preserving variant of SSD was also considered in a separate experiment . All registration schemes evaluated in this study, are intensity based and utilize the multiresolution approach to avoid local minimum traps and speed-up calculations, using Elastix version 4.5, based on the open source software Insight Toolkit (ITK) version 4.0. Additionally, the impact of regularization constrains to select candidate schemes is addressed in a final experiment, considering schemes excluded in the first stage of the evaluation methodology. [15] Specifically, a bending energy regularization term is added to each one of the above 4 cost functions was applied to artificially warped data, to constrain irregular deformations (folding areas). Taking into account the variability of the hardware used, due to large scale of the experiment, an empirical scale of computational time performance was introduced. Taking into account that the major parameters affecting registration time performance are the selected pyramid and the type of optimizer used, 4 scales of time performance are considered from the slowest (1) to the fastest (4). 16 out of 128 near optimal registration schemes registration were initially obtained by the first first evaluation stage based on artificially generated follow up data. These schemes obtained sub-millimeter registration accuracies in terms of average distance errors 0.18 ± 0.01 mm for NLP and 0.20 ± 0.01 mm for ILD, respectively. Verification of registration accuracy in terms of average distance error in clinical follow-up data was in the range of 1.985-2.156 mm and 1.966-2.234 mm, for NLP and ILD affected regions respectively, excluding schemes with statistically significant lower performance (Wilcoxon signed-ranks test, p<0.05), resulting in 13 finally selected registration schemes, highlighting the efficiency of the stage of the evaluation stage. The observed difference in registration accuracy between the two evaluation stages may be attributed to the fact that the artificially warped scan pairs simulate lung deformations as a result of breathing, without taking into account disease progression/regression. All 13 finally selected registration schemes in case of ILD CT follow-up analysis are hybrid and include the ASGD optimizer [16], providing high accuracy and time efficiency. Additionally, the proposed pyramid is RP, as it was included in 10 out of 13 finally selected registration schemes. Regarding the impact of mass preserving cost function to registration accuracy, statistical analysis of the obtained results indicates that adding a mass preserving term in the SSD cost function, has no practical contribution in registration performance, in case of full inspiration breath-hold protocol in the framework of ILD CT follow up analysis, while its omission significantly reduces the computational cost of about a factor of 3. The introduction of a regularization term, contributes to 6 additional near optimal registration schemes in the first stage, however without statistically significantly higher accuracy compared to the 16 original selected near optimal schemes. Finally, considering computational costs, the introduction of binding energy penalty term, increases computational cost by a factor of 4 providing however about 4 times higher computational cost. Ο όρος διάμεση πνευμονοπάθεια (ΔΠΝ) αναφέρεται σε περισσότερες από 200 χρόνιες παθήσεις των πνευμόνων που κατατάσσονται στην ίδια ομάδα, λόγω των παρόμοιων κλινικών, ακτινολογικών, και παθοφυσιολογικών χαρακτηριστικών τους [1]. Η ακριβής ποσοτικοποίηση της ΔΠΝ στην υπολογιστική τομογραφία- ΥΤ (Computed Tomography) θώρακος είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση των ασθενών, αφού δεν υπάρχουν ευρέως αποδεκτοί βιοδείκτες για την παρακολούθηση της εξέλιξης της νόσου [2]. Η ΥΤ θώρακος, αποτελεί ισχυρό εργαλείο ανίχνευσης, διάγνωσης και παρακολούθηση διάμεσης πνευμονοπάθειας. Η ακτινολογική εκτίμηση της έκτασης της ΔΠΝ με βάση την ΥΤ πραγματοποιείται με χρήση διάφορων ημι-ποσοτικών κλιμάκων βαθμολόγησης καθώς και χρήση δισ-διαστατου πρωτοκόλλου υψηλής ανάλυσης (High Resolution CT) [3]. Χρήση ημι-ποσοτικών κλιμάκων, ως μεθόδου εκτίμησης έκτασης της νόσου όμως υστερείται πληροφοριών σχετικά με τον χωροταξικό εντοπισμό της νόσου, καταδεικνύοντας μέτρια δια- και ενδο- συμφωνία παρατηρητή [4].Αποτέλεσμα των ανωτέρω αποτελεί η τρέχουσα τάση αξιοποίησης προηγμένων μεθόδων ανάλυσης εικόνας για ποσοτικό προσδιορισμό της έκτασης της ΔΠΝ, οι οποίες χαρακτηρίζονται από αυξημένη ακρίβεια και επαναληψιμότητα. [5] [6] [7]. Η ποσοτικοποίηση και παρακολούθηση της έκτασης της ΔΠΝ βάσει CT, στο πλαίσιο διαχείρισης ασθενούς σχετικά με την ανταπόκριση στη θεραπεία, αναδεικνύει το ρόλο των μεθόδων Αντιστοίχισης εικόνας. Ο ρόλος αυτός συνίσταται στη διασφάλιση ότι κάθε μετρούμενη μεταβολή της έκτασης της νόσου μεταξύ διαδοχικών χρονικά σαρώσεων οφείλεται στη μεταβολή της έκταση των απεικονιστικών προτύπων της ΔΠΝ και όχι σε παράγοντες όπως η φάση αναπνοής του ασθενούς ή τοποθέτηση κατά τη διάρκεια της τομογραφικής λήψης. Η μέθοδος της εύκαμπτης Αντιστοίχισης εικόνων (deformable image registration-dir) πολλαπλών κλιμάκων ανάλυσης, αντιπροσωπεύει μια ευρέως χρησιμοποιούμενη προσέγγιση για την Αντιστοίχιση των πνευμονικών πεδίων σε ΥΤ, για τον προσδιορισμό μετασχηματισμών εικόνων, ικανών για την προσομοίωση των τοπικών παραμορφώσεων των ιστών του πνεύμονα (πνευμονικού παρεγχύματος). H μέθοδος DIR μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλα τα επίπεδα ανάλυσης συστήματος πολλαπλής κλίμακας, οδηγώντας σε πλήρως εύκαμπτα συστήματα πολλαπλών κλιμάκων ανάλυσης (fully deformable multiresolution registration schemes), ή σε συνδυασμό με άκαμπτους (rigid) μετασχηματισμούς εικόνας που αξιοποιούνται σε επίπεδα ανάλυσης χαμηλής κλίμακας, οδηγώντας σε υβριδικά συστήματα εύκαμπτης Αντιστοίχισης εικόνων πολλαπλών κλιμάκων ανάλυσης (hybrid deformable multiresolution registration schemes). Μέχρι σήμερα Αντιστοίχισης εικόνων μόνο μία μελέτη έχει αναφερθεί στη βιβλιογραφία σχετικά με την χρήση συστήματος εύκαμπτης Αντιστοίχισης εικόνων πολλαπλών κλιμάκων ανάλυσης στα πλαίσια συστήματος ποσοτικοποίησης έκτασης και παρακολούθησης της ΔΠΝ, [8]. Ωστόσο, οι παράμετροι του συστήματος Αντιστοίχισης που χρησιμοποιήθηκαν υιοθετήθηκαν και δεν αναλύθηκαν συστηματικά. Οι μέθοδοι αξιολόγησης απόδοσης των DIR συστημάτων για την περίπτωση της υπολογιστικής τομογραφίας θώρακος αν και έχουν συγκεντρώσει αρκετό ενδιαφέρον ειδικά στην περίπτωση της ακτινοθεραπείας [9], εξακολουθούν να παραμένουν ανοιχτό πρόβλημα [10][11]. H παρούσα διατριβή αποτελεί μία πρώτη προσπάθεια εστίασης στην επίδραση των επιμέρους δομικών στοιχείων (παραμέτρων) συστημάτων εύκαμπτης Αντιστοίχισης εικόνων) πολλαπλών κλιμάκων ανάλυσης, στο πλαίσιο επιλογής των βέλτιστων συστημάτων Αντιστοίχισης στην περίπτωση παρακολούθησης ΔΠΝ σε ΥΤ, με τους ακόλουθους ειδικούς στόχους: • Ανάπτυξη μεθοδολογίας αξιολόγησης ακρίβειας συστημάτων εύκαμπτης Αντιστοίχισης εικόνων πολλαπλών κλιμάκων ανάλυσης • Ανάλυση της επίδρασης των δομικών στοιχείων του συστήματος Αντιστοίχισης τόσο ως προς την ακρίβεια Αντιστοίχισης όσο και ως προς τον υπολογιστικό χρόνο (κόστος) • Διερεύνηση της επίδρασης του όρου διατήρησης μάζας σε συγκεκριμένη συνάρτηση κόστους ως προς την ακρίβεια Αντιστοίχισης όσο και ως προς τον υπολογιστικό χρόνο (κόστος) • Διερεύνηση της επίδρασης του όρου ομαλοποίησης (regularization ) ως προς την ακρίβεια Αντιστοίχισης όσο και ως προς τον υπολογιστικό χρόνο (κόστος), με χρήση σε τεχνητών δεδομένων παρακολούθησης, που προσομοιάζουν την ακτινολογική εμφάνιση πνευμονικών πεδίων. Η μεθοδολογία αξιολόγησης, θεωρεί δύο στάδια: το πρώτο στάδιο χρησιμοποιεί τεχνητά δεδομένα παρακολούθησης ILD μέσω στρέβλωσης των αρχικών εικόνων [12] για τον εντοπισμό υποψήφιων συστημάτων αντιστοίχισης, ενώ στο δεύτερο στάδιο οι επιδόσεις των υποψηφίων συστημάτων, τα οποία προσδιορίζονται στο πρώτο στάδιο, επαληθεύονται με κλινικά δεδομένα παρακολούθησης ΔΠΝ. Στο πρώτο στάδιο, η ορίζουσα της Ιακωβιανής μήτρας (Determinant of the Jacobian Matrix-DETJ) του κάθε ογκοστοιχείου (voxel) του πεδίου παραμόρφωσης (deformation field) είναι το βασικό εργαλείο για τον εντοπισμό συστημάτων που περιλαμβάνουν περιοχές αναδίπλωσης (folding areas or singularities). Τα συστήματα αυτά που συμπεριλαμβάνουν τέτοιες περιοχές αποκλείονται από την περαιτέρω ανάλυση. Η απόδοση των υπόλοιπων υποψήφιων συστημάτων αξιολογείται και κατατάσσεται με όρους σφάλματος μετατόπισης τους (displacement error) ως προς σε δύο ανατομικές περιοχές, δηλαδή στην περιοχή φυσιολογικού πνευμονικού παρεγχύματος (Normal Lung Parenchyma - NLP) και στην παθολογική περιοχή (ILD), μέσω της Ευκλείδειας απόστασης των ομόλογων σημείων μεταξύ της αρχικής εικόνας και τεχνητής εικόνας παρακολούθησης. Η επιλογή των υποψήφιων συστημάτων έγινε επί τη βάσει κριτηρίου στατιστικής σημαντικότητας, λαμβάνοντας υπόψη και τις δύο λίστες κατάταξης των υποψηφίων συστημάτων ως προς το σφάλμα μετατόπισης ομόλογων διακριτικών ανατομικών σημείων (anatomical landmarks) στις περιοχές NLP και ILD. Στο δεύτερο στάδιο, η αξιολόγηση της ακρίβειας των υποψήφιων συστημάτων Αντιστοίχισης επαληθεύεται σε κλινικά δεδομένα παρακολούθησης χρησιμοποιώντας επίσης το σφάλμα μετατόπισης ομόλογων διακριτικών ανατομικών σημείων, στις ανωτέρω δύο ανατομικές περιοχές. Τέλος, η επιλογή των βέλτιστων συστημάτων έγινε επίσης επί τη βάσει κριτηρίου στατιστικής σημαντικότητας, λαμβάνοντας υπόψη και τις δύο λίστες κατάταξης. Στην παρούσα μελέτη, αξιοποιήθηκε κλινικό δείγμα 10 ζεύγών εικόνων τρισ-διάστατης σάρωσης, που αντιστοιχούσαν σε 2 χρονικά στιγμιότυπα, από σύστημα υπολογιστικής τομογραφίας πολλαπλών ανιχνευτών, Οι 10 ασθενείς έφεραν διάγνωση ILD με δευτερεύουσες παθήσεις συνδετικού ιστού που ακτινολογικά παρουσίαζαν απεικονιστικά πρότυπα θαμβής υάλου (ground glass opacities, ggo) και δικτυωτά (reticular) πρότυπα, συμπεριλαμβανομένου του προτύπου μελικηρύθρας (honeycomb). Οι σαρώσεις έγιναν σε χρονικές στιγμές που απείχαν μεταξύ τους περίπου 2 χρόνια. Η συνολική έκταση της ILD σε αυτές τις 10 σαρώσεις κυμαίνεται από 5% έως 80% (μέση τιμή: 32%). Η προσέγγιση χρήσης τεχνητών δεδομένων παρακολούθησης υιοθετείται ώστε η διαδικασία αξιολόγησης του πρώτου σταδίου να εστιάσει στο σφάλμα Αντιστοίχισης που προκαλείται από τα διάφορα υπό μελέτη σχήματα (αλγόριθμους) αντιστοίχισης και όχι στην ενδογενή μεταβλητότητα των κλινικών δεδομένων παρακολούθησης (εξέλιξη ή υποστροφή νόσου) [12]. Τα τεχνητά δεδομένα παρακολούθησης παρήχθησαν μέσω στρέβλωσης των κλινικών δεδομένα του αρχικού χρονικού στιγμιότυπου, και ειδικότερα στις περιοχές των πνευμονικών πεδίων που απομονώθηκαν με χρήση κατάλληλης μεθόδου τμηματοποίησης. Έγινε χρήση του μετασχηματισμού εύκαμπτου λεπτού μοντέλου πυρήνα πολύσφηνής πλάκας (thin plate kernel transform για την ρεαλιστική προσομοίωση των τοπικών παραμορφώσεων των πνευμονικών πεδίων, με ταυτόχρονη διατήρηση του αρχικού μεγέθους ογκοστοιχείου σε εγκάρσιο επίπεδο (x- plane resolution) καθώς και του πάχους τομής (slice thickness) των αρχικών δεδομένων. Βασικά δομικά συστατικά ενός τυπικού συστήματος Αντιστοίχισης αποτελούν: (α) το μοντέλο μετασχηματισμού, (β) η συνάρτηση κόστους, (γ) η συνάρτηση βελτιστοποίησης, καθώς και (δ) ο τύπος της πυραμίδας κλιμάκων πολλαπλής ανάλυσης. Ένα σύνολο 128 συστημάτων Αντιστοίχισης παρήχθη, λαμβάνοντας υπόψη τους ακόλουθους πιθανούς συνδυασμούς συστατικών: Τέσσερις (4) μετασχηματισμούς: μετασχηματισμός Euler (Euler Transform – ET), μετασχηματισμό ομοιότητας – (Similarity Transform-SM), Αφινικό Μετασχηματισμό – (Affine Transform-AT), και κυβικά splines – (3rd B Splines Transform-BST), οι οποίοι εφαρμόζονται στα 3 πρώτα επίπεδα ανάλυσης της πυραμίδας, ώστε να επιτευχθεί μία αρχική χονδροειδής Αντιστοίχισης (ευθυγράμμιση), ενώ τα κυβικά splines χρησιμοποιήθηκαν στο επίπεδο 4ο επίπεδο, που αντιστοιχεί στην υψηλότερη ανάλυση, σε όλα τα σχήματα [] . Παρά το γεγονός ότι τα πλήρως εύκαμπτα μοντέλα φαίνεται να αποτελούν τη φυσική επιλογή για την αντιστοίχιση πνευμονικών πεδίων λόγω της ελαστικής φύσης του πνευμονικού ιστού, υβριδικά συστήματα (που περιλαμβάνουν άκαμπτων και εύκαμπτους μετασχηματισμούς σε διαφορετικά επίπεδα ανάλυσης), έχουν επίσης πρόσφατα προταθεί. Τέλος, δεδομένου ότι η συνάρτηση βελτιστοποίησης θεωρείται ως ένα κρίσιμο δομικό στοιχείο της διαδικασίας αντιστοίχισης, 4 συναρτήσεις βελτιστοποίησης κλίσης καθόδου (gradient descent-GD) χρησιμοποιήθηκαν για το βήμα βελτιστοποίησης: κοινή κλίση καθόδου (Standard GD-SGD), κλίση καθόδου σταθερού βήματος (Regular Step GD-RSDG), στοχαστικά προσαρμοζόμενη κλίση καθόδου (Adaptive Stochastic GD-ASGD) και κλίση καθόδου πεπερασμένης διαφοράς (Finite Difference GD-FDDG). Επιπλέον, εξετάστηκαν δύο 2 είδη των πυραμίδων: η Γκαουσιανή Πυραμίδα – Gaussina Pyramid-GP, που εφαρμόζει την εξομάλυνση και μείωση της δειγματοληψίας κατά παράγοντα 2 και στις τρεις διαστάσεις, και Αναδρομική Πυραμίδα – Recursive Pyramid-RP, που δεν εφαρμόζει καμία λείανση, αλλά μόνο η μείωση της δειγματοληψίας κατά παράγοντα 2 και στις τρεις διαστάσεις. Τέλος, 4 διαφορετικές συναρτήσεις κόστους μελετήθηκαν: Άθροισμα των τετραγώνων διαφορών (Sum of Square Differences-SSD, κανονικοποιημένος συντελεστής συσχέτισης (Normalized Correlation Coefficient-NCC), αμοιβαία πληροφορία – Μutual Information-MΙ), και κανονικοποιημένη αμοιβαία πληροφoρία – Normalized Μutual Ιnformation-NMI). Λαμβάνοντας υπόψη, την ευαισθησία της συνάρτησης κόστους SSD ως προς τις τιμές έντασης των ογκοστοιχείων σχετικά με την ποσότητα του αέρα στους πνεύμονες κατά το τη χρονική στιγμή της σάρωσης με ΥΤ [13]14], λόγω των διαφορετικών φάσεων του αναπνευστικού κύκλου, μελετήθηκε επίσης μία παραλλαγή όρου διατήρησης μάζας (mass preserving term) της συνάρτησης κόστους SSD σε ξεχωριστό πείραμα επί τη βάσει του κλινικού δείγματος. Όλα τα συστήματα αντιστοίχισης που αξιολογήθηκαν στην παρούσα μελέτη βασίζονται στο μοντέλο πολλαπλών επιπέδων ανάλυσης για την αποφυγή παγίδευσης σε τοπικά ελάχιστά καθώς και για λόγους επιτάχυνσης της διαδικασίας Αντιστοίχισης και υλοποιήθηκαν, χρησιμοποιώντας το λογισμικό Elastix έκδοση 4.5, που βασίζεται στο λογισμικό ανοικτού κώδικα Insight Toolkit (ITK) έκδοση 4.0. Επιπλέον, η επίδραση του όρου κανονικοποίησης (regularization) της συνάρτησης κόστους στη απόδοση αλγόριθμων Αντιστοίχισης μελετήθηκε σε ένα τελικό πείραμα, λαμβάνοντας υπόψη τα συστήματα που εξαιρέθηκαν κατά το πρώτο στάδιο της μεθοδολογίας αξιολόγησης, λόγω ακανόνιστων παραμορφώσεων (περιοχές πτυχώσεων, folding areas), μέσω του κριτηρίου αρνητικότητας DETJ. Συγκεκριμένα, ο όρος κανονικοποίησης bending energy [15] προσετέθη σε κάθε μία από τις ανωτέρω 4 συναρτήσεις κόστους και εφαρμόστηκε στο δείγμα των τεχνητών δεδομένων παρακολούθησης. Λαμβάνοντας υπόψη τη μεταβλητότητα του υπολογιστικού υλικού που χρησιμοποιήθηκε, λόγω της μεγάλης κλίμακας του πειράματος, εισήχθη μια εμπειρική κλίμακα της υπολογιστικής απόδοσης του χρόνου. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι οι κρίσιμες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση του υπολογιστικού χρόνου είναι το είδος της πυραμίδας και της συνάρτησης βελτιστοποίησης, 4 κλίμακες απόδοσης χρόνου ορίσθηκαν από την πιο αργή (1) έως την ταχύτερη (4). Σύμφωνα με το πρώτο στάδιο αξιολόγησης, βάσει τεχνητών δεδομένων παρακολούθησης, προέκυψαν 16 υποψήφια συστήματα από 128 που μελετήθηκαν. Η ακρίβεια Αντιστοίχισης, βάσει στου σφάλματος μετατόπισης είναι της τάξης υπο-χιλιοστού (0,18 ± 0,01 χιλιοστά για NLP και 0,20 ± 0,01 χιλιοστά για ILD , αντίστοιχα). Η επαλήθευση της ακρίβειας Αντιστοίχισης των 16 υποψήφιων συστημάτων όσον αφορά μέσο σφάλμα μετατόπισης σε δεδομένα κλινικής παρακολούθησης ήταν της τάξης των 1,985 έως 2,156 mm και 1,966 έως 2,234 mm, για περιοχές NLP και ILD, αντίστοιχα. Βάσει κριτηρίου στατιστικής σημαντικότητας, εξαιρέθηκαν μόνο 3 συστήματα με στατιστικά σημαντικά χαμηλότερη απόδοση (Wilcoxon signed- κατατάσσεται test, p <0,05), τονίζοντας την αποτελεσματικότητα του πρώτου σταδίου αξιολόγησης, με αποτέλεσμα 13 τελικά προτεινόμενα συστήματα Αντιστοίχισης. Η παρατηρούμενη διαφορά στην ακρίβεια Αντιστοίχισης μεταξύ των δύο σταδίων αξιολόγησης αποδίδεται στο γεγονός ότι οι τεχνητά δεδομένα που προέκυψαν από την στρέβλωση των αρχικών κλινικών δεδομένων μέσω του μετασχηματισμού Thin Plate δεν λαμβάνει υπόψη την εξέλιξη ή υποστροφή της νόσου. Τα 13 προτεινόμενα συστήματα Αντιστοίχισης είναι όλα υβριδικά και περιλαμβάνουν την συνάρτηση βελτιστοποίησης ASGD, παρέχοντας υψηλή ακρίβεια και αποτελεσματικότητα υπολογιστικού χρόνου. Επιπλέον, η προτεινόμενη πυραμίδα είναι RP, αφού έχει συμπεριληφθεί σε 10 από τα 13 τελικά προτεινόμενα συστήματα Αντιστοίχισης. Όσον αφορά επίδραση του όρου διατήρησης μάζας στη συνάρτηση κόστους SSD ως προς την ακρίβεια Αντιστοίχισης, η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων φαίνεται να υποδεικνύει ότι, δεν έχει πρακτική συμβολή, στην περίπτωση του πρωτοκόλλου συγκράτησης αναπνοής (breathold) που χρησιμοποιήθηκε κατά τη λήψη του κλινικού δείγματος, ενώ η παράλειψη του μειώνει σημαντικά το υπολογιστικό κόστος κατά συντελεστή περίπου 3. Η εισαγωγή ενός όρου ομαλοποίησης (regularization) στις συναρτήσεις κόστους που μελετήθηκαν, συνεισφέρει σε 6 επιπλέον πλήρως εύκαμπτα υποψήφια συστήματα, τα οποία όμως δεν παρουσίασαν στατιστικά σημαντικά μεγαλύτερη ακρίβεια σε σύγκριση με τα 16 υβριδικά υποψήφια σχήματα. Τέλος, λαμβάνοντας υπόψη το υπολογιστικό κόστος, η θέσπιση όρου ομαλοποίησης στην συνάρτηση κόστους, αυξάνει το υπολογιστικό κόστος κατά ένα συντελεστή 4. 2017-05-12T16:14:29Z 2017-05-12T16:14:29Z 2016-06-30 Thesis http://hdl.handle.net/10889/10258 gr Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 0 application/pdf |