Przemysław Mazurek Dorota Oszutowska-Mazurek. Analiza jąder komórkowych rozmazów Papanicolaou z wykorzystaniem estymatorów wymiaru fraktalnego

Transkrypt

1 Przemysław Mazurek Dorota Oszutowska-Mazurek Analiza jąder komórkowych rozmazów Papanicolaou z wykorzystaniem estymatorów wymiaru fraktalnego Seminarium Wybrane problemy inżynierii biomedycznej 16 listopada 2012, Zielona Góra

2 Rak szyjki macicy Główne czynniki ryzyka: - zakażenia onkogennymi szczepami HPV - wiek (zachorowalność zwiększa się wraz z wiekiem, szczyt zachorowań przypada pomiędzy 45 a 55 rokiem) - wczesne rozpoczęcie współżycia - duża liczba partnerów seksualnych - duża liczba porodów - palenie papierosów - niski status socjoekonomiczny - dysplazja wysokiego stopnia w wywiadzie Czynniki prawdopodobne: - wieloletnie stosowanie hormonalnych leków antykoncepcyjnych - dieta uboga w antyoxydanty - zakażenie HIV - częste stany zapalne pochwy wywołane przez: Chlamydia trachomatis oraz Neisseria gonorhoeae

3 Skryning cytologiczny (1/3) Wdrożenie programu profilaktycznego, opartego o skryning cytologiczny doprowadziło do obniżenia zachorowalności na raka szyjki macicy o 50% oraz umieralności do 70% (Kanada, Szwecja)

4 Skryning cytologiczny (2/3) Schemat badania przesiewowego wynik dodatni Test diagnostyczny Pogłębione badania diagnostyczne chorzy wynik ujemny Ponawiane badanie przesiewowe grupa pośrednia zdrowi? LECZENIE OBSERWACJA ZDROWI chorzy

5 Skryning cytologiczny (3/3) Zgodnie z wytycznymi Polskiego Towarzystwa Ginekologicznego badanie cytologiczne wykonuje się: 3 lata po inicjacji seksualnej od 25 do 59 roku życia Jeśli nie ma zmian cytologicznych oraz czynników ryzyka badanie powtarza się co 3 lata co rok w przypadku: - zakażenia HIV - zakażenia HPV - immunosupresji - po leczeniu z powodu raka szyjki macicy

6 Zróżnicowanie morfologiczne obrazów (1/3) Preparaty są barwione metodą Papanicolaou (chemiczna metoda segmentacji) Klastry komórek i komórki samodzielne

7 Zróżnicowanie morfologiczne obrazów (2/3) Liczne komórki zapalne

8 Zróżnicowanie morfologiczne obrazów (3/3) Liczne erytrocyty

9 Wyzwania cyfrowej cytomorfometrii Dla powiększenia 400x: 7.5GB / 1 cm^2 Ponieważ dla powiększenia 400x jest mała głębia ostrości, a próbka jest dosyć gruba, to konieczne jest kilkukrotne skanowanie Dostęp do danych jest trudny, w szczególności komórek atypowych o silnych zmianach badania profilaktyczne ograniczyły występowanie tego materiału Bardzo duże bogactwo morfologiczne Brak standaryzacji procesu Pap

10 Przykłady zdjęć samodzielnych komórek (obrazy bez zachowania skali) Często jednak komórki grupują się w klastry

11 Analiza kształtu jądra a powiększenie W wielu publikacjach stosuje się obrazy uzyskane dla powiększenia 100x i kamery megapikselowe Przy takich warunkach pomiaru, detale jądra nie są widoczne. Do analizy potrzebne są zdjęcia dla powiększenia 400x (16x więcej detali). Obraz jądra i pole jądra dla powiększenia: 100x 400x Fractal analysis limitations in digital analysis of Papanicolaou cytological images. PAK 01/2012

12 Analiza fraktalna jądra Miara cyrklowa kontur jądra Estymowana długość obwodu zależy od długości kroku cyrkla Dla każdego konturu można podać wymiar fraktalny, ale potrzebny jest kontur - bez dobrej segmentacji metoda nie działa

13 Estymacja obszaru analizy wewnątrz jądra W części komórek bardzo trudno wyznaczyć kontur, ale można oszacować obszar jądra (nie cały ale centralny) Zdjęcie kolorowe Kanał zielony po progowaniu Obraz niskoskalowy: wybieramy największe zaczernienia Pomysł: Analiza fraktalna tekstur zamiast analizy fraktalnej obwodu czy pola

14 Jądra komórek Obrazy z zachowaniem skali Jądro prawidłowe: - okrągłe - zwykle mniejsze - tekstura gładka Jądro atypowe: - nieregularny obwód - często duże pole - tekstura chropowata

15 Wybrane estymatory fraktalne tekstur - Metoda Pryzmy Trójkątnej (Triangular Prism Method) - TPM dużo wariantów Ograniczenie: kwadratowy obszar analizy - Kafelkowa metoda pryzmy trójkątnej (Tiled Triangular Prism Method) - Tiled TPM Ograniczenie: nie cały obszar jądra jest analizowany - Wariogram Ograniczenie: duży koszt obliczeniowy - Slit Island Method (SIM)

16 Metoda pryzm trójkątnych TPM Triangular Prism Method (TPM4) Wyznaczamy stosunek sumarycznego pola górnej części pryzm do sumarycznego pola podstawy (skali). Obszar analizy BxB: skala 3 skala 2 skala 1

17 Obszar analizy algorytmy TPM Zwykły TPM Oszutowska-Mazurek, Purczyński, 2012 Kafelkowe TPM Większy obszar analizy poprawia estymację Tylko najmniejsze skale są istotne dla estymacji wymiaru fraktalnego na potrzeby klasyfikacji

18 Rezultat: Tiled TPM - preklasyfikacja Atypowe Wynik wyłącznie dla pola górnego sumy pryzm Prawidłowe

19 Wariogram z(.) wartość piksela h odległość między parą pikesli x położenie piksela N(h) ilość par pikseli o odległości 'h' Siatka x nie musi być regularna Wymiar fraktalny wyznaczany jest z nachylenia prostej regresji na wykresie podwójnielogarytmicznym:

20 Wariogram Wariogram jest podobny do histogramu Z uwagi na siatkę piskeli obrazu konieczny jest dobór rozdzielczości 'h' w celu aproksymacji wariogramu Do analizy jąder komókowych istotne są mniejsze skale Nie ma potrzeby wyznaczania wszystkich h istotne obliczeniowo wariogramu Rozmiar jądra jest istotny dla klasyfikacji dla

21 Wariogram przykładowe jądro γ h Jądro Maska jądra Wariogram dp(1-2) dp(2-3) Wykres Richardsona (zwykły nielogarytmiczny)

22 Rezultat wariogram - preklasyfikacja Atypowe Prawidłowe

23 Slit Island Method (SIM) uogólniony Fiberous Slit Island Method

24 Slit Island Method (SIM) Mandelbrot i inni (1984) (tylko jeden przekrój) Uogólnienie: Obraz jest traktowany jako obiekt 3D i ścinany warstwami Wyznaczamy stosunek obwodu do pola dla obiektu Obiekt nieregularny wymaga stosowania maski Wykorzystuje się normalizację kontrastu

25 Slit Island Method (dla obrazu w odcieniach szarości) Normalizacja kontrastu obrazu wejściowego Xorg: Po ścięciu 'i' uzyskujemy warstwy: i wyznaczamy sumaryczne pole oraz sumaryczny obwód: na podstawie binarnych obrazów, gdzie E jest obrazem krawędzi. Oryginalny SIM (Mandelbrot i inni 1984) dotyczy wielu wysp binarnych z jednego przekroju. Uogólnienie zawiera wszystkie na naraz i wiele przekrojów.

26 Slit Island Method (dla obrazu w odcieniach szarości) Do pomiaru obwodu wszystkich ziaren można wykorzystać operację pomiaru ilości boków poprzez zliczanie klik dla sąsiedztwa 4: x,y x,y x,y Możliwe jest także zastosowanie typowych operacji morfologicznych do detekcji krawędzi, jednak wyniki są wtedy inne, wartościowo ale nie jakościowo. x,y

27 Wykres podwójnie logarytmiczny pole-obwód (SIM) Nachylenie prostej regresji określa wymiar fraktalny

28 Organizacja danych Slit Island Method (uogólniony): Wykorzystuje ścinanie (obiektu, obrazu), które jest uporządkowane (fizykalnie). Oryginalnie dane są typu binarnego Fiberous Slit Island Method: Wyłączenie lista uporządkowana! Dane są typu dyskretnego unormowanego:

29 Wykres podwójnie logarytmiczny pole-obwód (FSIM) W przypadku obrazów zawsze tworzona jest uporządkowana lista par pole-obwód Zamiast tylko wymiaru fraktalnego, można wykorzystać relacje między parami

30 Fiberous SIM (wizualizacja 3D) Numer warstwy jest zawarty w parach więc wizualizacja 3D wykorzystuje pełną informację o obiekcie nachylenie początkowe, skokowe przebiegi, kolanko, gwałtowne spadki są specyficzne dla określonych obrazów

31 Fiberous SIM (wizualizacja 3D) Pole i numer warstwy jest częściowo skorelowane. Powtórzenie tych samych par pól i obwodów daje zmianę kształtu krzywej w przestrzeni 3D W przypadku SIM jest to odwzorowanie kilku punktów w tym samym miejscu

32 Rezultat Fiberous SIM - preklasyfikacja Atypowe Prawidłowe

33 Wnioski (1/4) Analiza komputerowa wymaga obrazów dobrej jakości duże powiększenie i wysoka rozdzielczość kamery Wymiar fraktalny nie jest wystarczający do preklasyfikacji obrazów jąder cytologii ginekologicznej wybarwianej metodą Papanicolaou Potrzebne jest dodatkowo pole lub oszacowanie pola jądra Precyzyjna segmentacja wielu jąder nie jest możliwa wymagana jest oszacowanie tego obszaru i analiza tekstury jądra Istnieje wiele metod analizy tekstury metody fraktalne nadają się od tego celu

34 Wnioski (2/4) Na błąd estymacji ma wpływ metoda fraktalne poprzez własne ograniczenia obszaru analizy: TPM, częściowo Tiled TPM, Box-Counting Metody w pełni wykorzystujące nieregularny obszar jądra to wariogram, Slit Island Method oraz Fiberous Slit Island Method Slit Island Method (uogólniony) nie daje spodziewanych rezultatów bezpośrednio i wymaga zmiany koncepcji pracy Zaproponowana metoda Fiberous Slit Island Method wykorzystuje postać uporządkowanych par pole-obwód do analizy

35 Wnioski (3/4) Preklasyfikacja wymaga pola jądra komórki oraz typowo dwóch parametrów lokalnych wymiaru fraktalnego. Jest to typowe dla rzeczywistych (niesyntetycznych) obrazów (wymiar może się zmieniać od skali). Końcowa klasyfikacja komputera jest domeną diagnosty, a nie

36 Wnioski (4/4) Badania przeprowadzono dla różnych metod fraktalnych, z pozytywnym rezultatem dla samodzielnych komórek Wyniki wskazują, że analiza samego jądra wystarcza do preklasyfikacji (nie jest niezbędny indeks cytoplazmatyczny, który wymaga segmentacji cytoplazmy) Hipoteza: Klastry komórek także można potencjalnie analizować, bez konieczności segmentacji cytoplazmy, a segmentację ograniczać tylko do stosunkowo prostej segmentacji jądra komórkowego Automatyczna analiza obrazów Pap pod kątem atypii jest uważana za jedną z najtrudniejszych w zakresie przetwarzania obrazów medycznych

37 Dziękuję Dziękuję za za uwagę uwagę