Image processing and analysis algorithms development for chronic liver disease assessment using ultrasound elastography images

The liver is an essential organ of the body that performs over 500 vital functions, such as protein, fat and carbohydrate metabolism, immunity, digestion, detoxification, bile production, vitamin and mineral storage among other functions. Although liver has the ability to react to damage, there are...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Ζγκούρη, Μαρία
Άλλοι συγγραφείς: Zgkouri, Maria
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/24599
id nemertes-10889-24599
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας
Χρόνια ηπατική νόσος
Εικόνες ελαστογραφίας
Image processing
Algorithms
Chronic liver disease assessment
spellingShingle Αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας
Χρόνια ηπατική νόσος
Εικόνες ελαστογραφίας
Image processing
Algorithms
Chronic liver disease assessment
Ζγκούρη, Μαρία
Image processing and analysis algorithms development for chronic liver disease assessment using ultrasound elastography images
description The liver is an essential organ of the body that performs over 500 vital functions, such as protein, fat and carbohydrate metabolism, immunity, digestion, detoxification, bile production, vitamin and mineral storage among other functions. Although liver has the ability to react to damage, there are a lot of serious diseases that can cause even liver failure leading to death. Therefore, a variety of methods have been developed, in order to monitor liver diseases or damages, estimate the patient’s disease stages and to select the best treatment. Diagnostic procedures such as liver biopsy (LB), biochemical markers (BSMs), CT and MRI imaging, ultrasound (US) and ultrasound elastography (USE) are widely used. Although LB is considered the gold standard method, a lot of limitations are set due to its invasive technique, high cost and probable complications. Further diagnostic procedures like BSMs, CT, MRI, US or USE are non-invasive and low-cost methods but they cannot provide accurate information about chronic liver disease (CLD) stage. Imaging methods in combination with automated diagnostic systems is the state-of-the art in CLD assessment and also cost-neutral. The purpose of the present thesis is to employ a computer-aided diagnosis system that classifies chronic liver disease (CLD), by using and processing ultrasound shear wave elastography (SWE) images, and to investigate the algorithm’s accuracy in comparison to the radiologist’s accuracy for each fibrosis stage. The SWE images obtained consist of RGB (red-green-blue) scale values, with the blue color corresponding to low stiffness and the red color corresponding to high stiffness values (in units of kPa). Then we convert the color map to stiffness map with the procedure of RGB-to-stiffness inverse mapping, we split the stiffness values into 5 clusters, the maximum participation color area (MPCA) is extracted and MPCA’s mean value is calculated. Using a data set of different fibrosis stage patients, the proposed automatic algorithm classifies the patients. The algorithm’s accuracy is assessed, by ROC curves calculation, and is compared to the examiner’s accuracy for the same data set, with reference to the biopsy.
author2 Zgkouri, Maria
author_facet Zgkouri, Maria
Ζγκούρη, Μαρία
author Ζγκούρη, Μαρία
author_sort Ζγκούρη, Μαρία
title Image processing and analysis algorithms development for chronic liver disease assessment using ultrasound elastography images
title_short Image processing and analysis algorithms development for chronic liver disease assessment using ultrasound elastography images
title_full Image processing and analysis algorithms development for chronic liver disease assessment using ultrasound elastography images
title_fullStr Image processing and analysis algorithms development for chronic liver disease assessment using ultrasound elastography images
title_full_unstemmed Image processing and analysis algorithms development for chronic liver disease assessment using ultrasound elastography images
title_sort image processing and analysis algorithms development for chronic liver disease assessment using ultrasound elastography images
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/24599
work_keys_str_mv AT znkourēmaria imageprocessingandanalysisalgorithmsdevelopmentforchronicliverdiseaseassessmentusingultrasoundelastographyimages
AT znkourēmaria anaptyxēalgorithmōnepexergasiaskaianalysēseikonasgiaaxiologēsēchroniasēpatikēsnosouchrēsimopoiōntaseikoneselastographiasyperēchōn
_version_ 1771297219335421952
spelling nemertes-10889-245992023-03-01T04:36:17Z Image processing and analysis algorithms development for chronic liver disease assessment using ultrasound elastography images Ανάπτυξη αλγορίθμων επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας για αξιολόγηση χρόνιας ηπατικής νόσου χρησιμοποιώντας εικόνες ελαστογραφίας υπερήχων Ζγκούρη, Μαρία Zgkouri, Maria Αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας Χρόνια ηπατική νόσος Εικόνες ελαστογραφίας Image processing Algorithms Chronic liver disease assessment The liver is an essential organ of the body that performs over 500 vital functions, such as protein, fat and carbohydrate metabolism, immunity, digestion, detoxification, bile production, vitamin and mineral storage among other functions. Although liver has the ability to react to damage, there are a lot of serious diseases that can cause even liver failure leading to death. Therefore, a variety of methods have been developed, in order to monitor liver diseases or damages, estimate the patient’s disease stages and to select the best treatment. Diagnostic procedures such as liver biopsy (LB), biochemical markers (BSMs), CT and MRI imaging, ultrasound (US) and ultrasound elastography (USE) are widely used. Although LB is considered the gold standard method, a lot of limitations are set due to its invasive technique, high cost and probable complications. Further diagnostic procedures like BSMs, CT, MRI, US or USE are non-invasive and low-cost methods but they cannot provide accurate information about chronic liver disease (CLD) stage. Imaging methods in combination with automated diagnostic systems is the state-of-the art in CLD assessment and also cost-neutral. The purpose of the present thesis is to employ a computer-aided diagnosis system that classifies chronic liver disease (CLD), by using and processing ultrasound shear wave elastography (SWE) images, and to investigate the algorithm’s accuracy in comparison to the radiologist’s accuracy for each fibrosis stage. The SWE images obtained consist of RGB (red-green-blue) scale values, with the blue color corresponding to low stiffness and the red color corresponding to high stiffness values (in units of kPa). Then we convert the color map to stiffness map with the procedure of RGB-to-stiffness inverse mapping, we split the stiffness values into 5 clusters, the maximum participation color area (MPCA) is extracted and MPCA’s mean value is calculated. Using a data set of different fibrosis stage patients, the proposed automatic algorithm classifies the patients. The algorithm’s accuracy is assessed, by ROC curves calculation, and is compared to the examiner’s accuracy for the same data set, with reference to the biopsy. - Το ήπαρ είναι ένα βασικό όργανο του σώματος που εκτελεί πάνω από 500 ζωτικές λειτουργίες, όπως ο μεταβολισμός των πρωτεϊνών, των λιπών και των υδατανθράκων, η ανοσία, η πέψη, η αποτοξίνωση, η παραγωγή χολής, η αποθήκευση βιταμινών και ανόργανων συστατικών, μεταξύ άλλων λειτουργιών. Αν και το ήπαρ έχει την ικανότητα να αντιδρά σε βλάβες, υπάρχουν πολλές σοβαρές ασθένειες που μπορούν να προκαλέσουν ακόμη και ηπατική ανεπάρκεια, η οποία οδηγεί στο θάνατο. Ως εκ τούτου, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι, προκειμένου να παρακολουθούνται οι ηπατικές παθήσεις ή βλάβες, να εκτιμώνται τα στάδια της νόσου του ασθενούς και να επιλέγεται η καλύτερη δυνατή θεραπεία. Διαγνωστικές διαδικασίες όπως η βιοψία ήπατος, οι βιοχημικοί δείκτες, η αξονική και μαγνητική τομογραφία, οι υπέρηχοι και η υπερηχογραφική ελαστογραφία χρησιμοποιούνται ευρέως. Αν και η βιοψία ήπατος θεωρείται η πιο έγκυρη μέθοδος, τίθενται πολλοί περιορισμοί λόγω της επεμβατικής τεχνικής, του υψηλού κόστους και των πιθανών επιπλοκών. Περαιτέρω διαγνωστικές διαδικασίες όπως οι βιοχημικές εξετάσεις, η αξονική τομογραφία, η μαγνητική τομογραφία, οι υπέρηχοι ή η ελαστογραφική υπερηχογραφία είναι μη επεμβατικές και χαμηλού κόστους μέθοδοι, αλλά δεν μπορούν να παρέχουν ακριβείς πληροφορίες σχετικά με το στάδιο της χρόνιας ηπατικής νόσου. Οι απεικονιστικές μέθοδοι σε συνδυασμό με αυτοματοποιημένα διαγνωστικά συστήματα αποτελούν την τελευταία λέξη της τεχνολογίας στην αξιολόγηση της χρόνιας ηπατικής νόσου και είναι επίσης ουδέτερες ως προς το κόστος. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να χρησιμοποιηθεί ένα σύστημα διάγνωσης με τη βοήθεια υπολογιστή που ταξινομεί τη χρόνια ηπατική νόσο, χρησιμοποιώντας και επεξεργάζοντας εικόνες υπερηχογραφικής ελαστογραφίας διατμητικών κυμάτων (SWE), καθώς και να διερευνηθεί η ακρίβεια του αλγορίθμου σε σύγκριση με την ακρίβεια του ακτινολόγου για κάθε στάδιο ίνωσης. Οι εικόνες υπερηχογραφικής ελαστογραφίας διατμητικών κυμάτων που λαμβάνονται, αποτελούνται από τιμές κλίμακας RGB, με το μπλε χρώμα να αντιστοιχεί σε χαμηλές τιμές δυσκαμψίας και το κόκκινο χρώμα να αντιστοιχεί σε υψηλές τιμές δυσκαμψίας (σε μονάδες kPa). Στη συνέχεια μετατρέπουμε τον χρωματικό χάρτη σε χάρτη δυσκαμψίας με τη διαδικασία της αντίστροφης χαρτογράφησης RGB – σε - δυσκαμψία, χωρίζουμε τις τιμές δυσκαμψίας σε 5 συστάδες, εξάγεται η χρωματική περιοχή μέγιστης συμμετοχής και υπολογίζεται η μέση τιμή της χρωματικής περιοχής μέγιστης συμμετοχής. Χρησιμοποιώντας ένα σύνολο δεδομένων ασθενών με διαφορετικό στάδιο ίνωσης, ο προτεινόμενος αυτόματος αλγόριθμος ταξινομεί τους ασθενείς. Η ακρίβεια του αλγορίθμου αξιολογείται, με τον υπολογισμό καμπυλών ROC, και συγκρίνεται με την ακρίβεια του εξεταστή για το ίδιο σύνολο δεδομένων, με αναφορά στη βιοψία. 2023-02-28T07:07:59Z 2023-02-28T07:07:59Z 2023-02-20 https://hdl.handle.net/10889/24599 en Attribution 3.0 United States http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/ application/pdf