| Περίληψη: | Οι μικροαποτιτανώσεις είναι από τις πιο σημαντικές ενδείξεις παθήσεων του μαστού και μπορεί να αποτελέσουν πρώιμη ένδειξη καρκίνου του μαστού. Πρόκειται για εναποθέσεις ασβεστίου στο μαστό με τη διάμετρός τους να κυμαίνεται από 0.1 έως 1 mm και εμφανίζονται είτε μόνες είτε σε ομάδες. Η ακριβής τμηματοποίηση (segmentation) των μικροαποτιτανώσεων στη μαστογραφία συνεισφέρει στην εξαγωγή αξιόπιστων χαρακτηριστικών μορφολογίας, που χρησιμοποιούνται στην αυτόματη διάγνωση με υπολογιστή (Computer-aided Diagnosis, CADx).
Στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής προτείνεται μία νέα μέθοδος τμηματοποίησης μικροαποτιτανώσεων, η οποία αρχικά εντοπίζει σημεία του περιγράμματος αυτών. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή της μεθόδου ενεργών ακτίνων (Active Rays), πολικός μετασχηματισμός ενεργών περιγραμμάτων (Active Contours), σε 8 διευθύνσεις και σε δύο κλίμακες του μετασχηματισμού κυματίων (wavelet transform) με φίλτρα Β-spline. Ακολούθως, χρησιμοποιείται μέθοδος επέκτασης περιοχής (region growing) για τον ακριβή προσδιορισμό του περιγράμματος της μικροαποτιτάνωσης. Ως κριτήριο για την αύξηση της περιοχής χρησιμοποιήθηκαν τα σημεία στο περίγραμμα της μικροαποτιτάνωσης, όπως αυτά προσδιορίσθηκαν από τη μέθοδο των ενεργών ακτίνων. Επίσης, υλοποιήθηκε μέθοδος ακτινικής βάθμωσης, η οποία έχει πρόσφατα προταθεί στη βιβλιογραφία για την τμηματοποίηση μικροαποτιτανώσεων, και χρησιμοποιήθηκε για συγκριτική αξιολόγηση.
Οι δύο μέθοδοι τμηματοποίησης εφαρμόστηκαν σε 149 ομάδες μικροαποτιτανώσεων, κυρίως πλειόμορφων, που αντλήθηκαν από 130 μαστογραφικές εικόνες από τη βάση DDSM (Digital Database for Screening Mammography). Η ακρίβεια τμηματοποίησης των δύο μεθόδων αξιολογήθηκε από τρεις ακτινολόγους με χρήση 5-βάθμιας κλίμακας. Η ακρίβεια τμηματοποίησης της προτεινόμενης μεθόδου βρέθηκε ίση με 3.96±0.77, 3.97±0.80 και 3.83±0.89, όπως αξιολογήθηκε από κάθε ακτινολόγο, και 2.91±0.86, 2.10±0.94 και 2.56±0.76 για την συγκρινόμενη μέθοδο. Οι διαφορές στην ακρίβεια τμηματοποίησης των δύο μεθόδων ήταν στατιστικώς σημαντικές (Wilcoxon signed-ranks test, p<0.05).
Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση των δύο μεθόδων τμηματοποίησης στην απόδοση μεθόδου αυτόματης διάγνωσης (χαρακτηρισμό) ομάδων μικροαποτιτανώσεων με υπολογιστή. Η μέθοδος αυτόματης διάγνωσης στηρίζεται σε επιβλεπόμενη ταξινόμηση προτύπων χαρακτηριστικών σχήματος ομάδας αποτιτανώσεων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ταξινομητής ελαχίστων τετραγώνων – ελάχιστης απόστασης και εξήχθησαν χαρακτηριστικά ομοιότητας και διαφοροποίησης (variability) ομάδας μικροαποτιτανώσεων, τα οποία περιγράφουν τη μορφολογία μεμονωμένων αποτιτανώσεων (εμβαδόν, μέγιστη διάμετρος, σχετική αντίθεση). Η απόδοση ταξινόμησης αποτιμήθηκε μέσω εμβαδού καμπύλης παρατηρητών (ROC). Τα χαρακτηριστικά Εμβαδού και μέγιστης Διαμέτρου επέδειξαν σημαντικά υψηλή απόδοση ταξινόμησης (Mann-Whitney U-test, p<0.05) όταν εξήχθησαν από μικροαποτιτανώσεις τμηματοποιημένες με την προτεινόμενη μέθοδο ενεργών ακτίνων (0.82±0.06 και 0.86±0.05, αντίστοιχα). Η απόδοση ταξινόμησης χαρακτηριστικών που εξήχθησαν με μέθοδο τμηματοποίησης ακτινικής βάθμωσης ήταν 0.71±0.08 και 0.75±0.08, αντίστοιχα. Συμπερασματικά, η προτεινόμενη μέθοδος επέδειξε βελτιωμένη ακρίβεια τμηματοποίησης, εκπληρώνοντας ποιοτικά κριτήρια και ενισχύοντας την ικανότητα χαρακτηρισμού των ομάδων αποτιτανώσεων με ανάλυση μορφολογίας (μεγέθους και σχήματος) μεμονωμένων αποτιτανώσεων.
Οι περιορισμοί της προτεινόμενης μεθόδου τμηματοποίησης αποδίδονται κυρίως:
• Στην ανάλυση δύο κλιμάκων του μετασχηματισμού κυματίου, με αποτέλεσμα τον περιορισμό της προσαρμοστικότητας της μεθόδου σε μικροαποτιτανώσεις διαφορετικών μεγεθών.
• Στην μέθοδο επέκτασης περιοχής περιοριζόμενη από σημεία περιγράμματος σε 8 διευθύνσεις.
Οι περιορισμοί της αξιολόγησης της προτεινόμενης μεθόδου τμηματοποίησης αποδίδονται κυρίως:
• Στην ποιοτική μόνο αξιολόγηση της ακρίβειας τμηματοποίησης, μέσω ανάλυσης παρατηρητών.
• Στην χρήση περιορισμένου αριθμού χαρακτηριστικών μορφολογίας στο σύστημα αυτόματης διάγνωσης.
Για την αντιμετώπιση των προαναφερθέντων περιορισμών, προτάθηκε η μέθοδος Ενεργών Περιγραμμάτων Πολλαπλών Κλιμάκων με αρχικοποίηση Ενεργών Ακτίνων στην αυτόματα επιλεγόμενη αδρή κλίμακα κυματίου. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε ο μετασχηματισμός συνεχούς κυματίου για την παροχή πολλαπλών κλιμάκων ανάλυσης. Στο πεδίο των πολλαπλών κλιμάκων εντοπίζεται η βέλτιστη αδρή κλίμακα (coarse scale) ανάλυσης με βάση τη μέγιστη απόκριση περιοχής μικροαποτιτάνωσης (scale-space MC signature). Στη συγκεκριμένη βέλτιστη κλίμακα απόκρισης εφαρμόζεται η μέθοδος των ενεργών ακτίνων για τον εντοπισμό σημείων του περιγράμματος της μικροαποτιτάνωσης σε 8 διευθύνσεις. Από αυτά τα σημεία ορίζεται πλήρως το περίγραμμα με χρήση μεθόδου γραμμικής παρεμβολής στη βέλτιστη κλίμακα απόκρισης. Κάθε σημείο του περιγράμματος ακολουθεί την κατεύθυνση μεγιστοποίησης της βάθμωσης εικόνας για τον καθορισμό του περιγράμματος στην βέλτιστη κλίμακα (directional Active Contour). Για την τελική εξαγωγή του περιγράμματος, οι θέσεις των σημείων του περιγράμματος επανακαθορίζονται στις κλίμακες μεγαλύτερης ακρίβειας (fine scales).
Η ακρίβεια τμηματοποίησης της δεύτερης προτεινόμενης μεθόδου αξιολογήθηκε ποσοτικά με το κριτήριο επικάλυψης περιοχής. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται τμηματοποιήσεις από ειδικευμένο ακτινολόγο. Τμηματοποιήθηκαν συνολικά 1157 μεμονωμένες μικροαποτιτανώσεις προερχόμενες από 128 ομάδες μικροαποτιτανώσεων, ψηφιοποιημένες σε ανάλυση 50μm (βάση δεδομένων DDSM).
Μελετήθηκε επίσης η επίδραση της ακρίβειας τμηματοποίησης της δεύτερης προτεινόμενης μεθόδου στην απόδοση μεθόδου αυτόματης διάγνωσης ομάδων αποτιτανώσεων με βάση χαρακτηριστικά ομοιότητας και διαφοροποίησης (variability) ομάδας μικροαποτιτανώσεων, τα οποία περιγράφουν τη μορφολογία μεμονωμένων αποτιτανώσεων (εμβαδού: εμβαδόν, μέγιστη διάμετρος, σχετική αντίθεση, εκκεντρότητα, συμπαγότητα, διακύμανση ακτινικών αποστάσεων, περιοχής: ροπές 1ης και 2ης τάξης, και περιγράμματος: χαρακτηριστικό ροπής και συχνότητας). Ακολούθως, τέσσερα συστήματα αυτόματης διάγνωσης σχεδιάστηκαν βασιζόμενα στον ταξινομητή ελαχίστων τετραγώνων – ελάχιστης απόστασης και μορφολογικά χαρακτηριστικά εξήχθησαν από τις τρεις αυτόματες μεθόδους τμηματοποίησης (δύο προτεινόμενες και μία συγκρινόμενη).
Η ποσοτική αξιολόγηση των προτεινόμενων μεθόδων τμηματοποίησης με χρήση δείκτη επικάλυψης περιοχής απέδειξε ότι μόνο η μέθοδος των Ενεργών Περιγραμμάτων Πολλαπλών Κλιμάκων με αρχικοποίηση Ενεργών Ακτίνων στη βέλτιστη κλίμακα ανάλυσης χαρακτηρίζεται από εξίσου υψηλή απόδοση για τις μικρού (<500μm) και μεγάλου (>500μm) μεγέθους μικροαποτιτανώσεις.
Επιπλέον, ο ταξινομητής που βασίστηκε σε χαρακτηριστικά εξαγόμενα από τη βελτιστοποιημένη μέθοδο τμηματοποίησης παρουσίασε καλύτερη απόδοση ταξινόμησης (0.779±0.041) από τους ταξινομητές που βασίστηκαν σε χαρακτηριστικά εξαγόμενα από τη μέθοδο Ενεργών Ακτίνων (0.667±0.041) και τη μέθοδο ακτινικής βάθμωσης (0.670±0.044). Η απόδοση ταξινόμησης του βελτιωμένου αλγόριθμου τμηματοποίησης ήταν δε παρόμοια με την απόδοση του ταξινομητή που βασίστηκε σε χαρακτηριστικά εξαγόμενα από χειροκίνητα τμηματοποιημένες μικροαποτιτανώσεις (0.813±0.037).
|
|---|
