Modelowanie zmian patologicznych sutka z wykorzystaniem analizy wielorozdzielczej



Podobne dokumenty
Adaptive wavelet synthesis for improving digital image processing

Poprawa percepcji guzków spikularnych w obrazach mammograficznych*

Wspomaganie diagnostyki mammograficznej: poprawa percepcji zmian patologicznych

Przetwarzanie obrazu

SYSTEM AUTOMATYCZNEJ DETEKCJI I KLASYFIKACJI MIKROZWAPNIEŃ W CYFROWEJ MAMMOGRAFII

Systemy wspomagania diagnozy, czyli mammografia przyszłości

Akwizycja i przetwarzanie sygnałów cyfrowych

Diagnostyka obrazowa

LABORATORIUM AKUSTYKI MUZYCZNEJ. Ćw. nr 12. Analiza falkowa dźwięków instrumentów muzycznych. 1. PODSTAWY TEORETYCZNE ANALIZY FALKOWEJ.

Metoda klasteryzacji i segmentacji mikrozwapnień w celu redukcji wskazań fałszywych przy komputerowym wspomaganiu mammografii

Metoda detekcji guzków w obrazach mammograficznych wykorzystująca transformację Rayleigha

Filtracja obrazu operacje kontekstowe

Spośród licznych filtrów nieliniowych najlepszymi właściwościami odznacza się filtr medianowy prosty i skuteczny.

Filtracja obrazu operacje kontekstowe

POSZUKIWANIE FALKOWYCH MIAR POTENCJAŁU INFORMACYJNEGO OBRAZÓW CYFROWYCH JAKO WSKAŹNIKÓW JAKOŚCI WIZUALNEJ

MODELOWANIE OBRAZÓW METODAMI ANALIZY FUNKCJONALNEJ (WIELU SKAL)

Przekształcenia widmowe Transformata Fouriera. Adam Wojciechowski

Przetwarzanie obrazu

TRANSFORMATA FALKOWA WYBRANYCH SYGNAŁÓW SYMULACYJNYCH

przetworzonego sygnału

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Metody wspomagania detekcji zmian patologicznych w mammografii

PLATFORMA DO PRZETWARZANIA ZDJĘĆ TOMOGRAFII KOMPUTEROWEJ MÓZGU ORAZ ZDJĘĆ MAMMOGRAFICZNYCH WSPOMAGAJĄCA DIAGNOZOWANIE CHORÓB

Ocena jakości obrazów medycznych

dr inż. Jacek Naruniec

Cyfrowe przetwarzanie i kompresja danych

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA Realizowany w roku akademickim 2016/2017

KARTA PRZEDMIOTU. W5/1;W16/1 W5 Zna podstawowe metody przetwarzania wstępnego EP WM K_W9/3; obrazów barwnych.

WYZNACZANIE NIEPEWNOŚCI POMIARU METODAMI SYMULACYJNYMI

Podsumowanie wyników ankiety

Elektronika i Telekomunikacja I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Reprezentacja i analiza obszarów

Dobór deskryptorów według warstw proponowanego modelu spikul w mammogramach

Transformacja wiedzy w budowie i eksploatacji maszyn

Odniesienie do efektów kształcenia dla obszaru nauk EFEKTY KSZTAŁCENIA Symbol

SUBIEKTYWNA OCENA JAKOŚCI DIAGNOSTYCZNEJ KOMPRESOWANYCH STRATNIE OBRAZÓW

TRANSFORMATA FALKOWA 2D. Oprogramowanie Systemów Obrazowania 2016/2017

Rekonstrukcja obrazu (Image restoration)

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

POLITECHNIKA WARSZAWSKA ROZPRAWA DOKTORSKA

KOMPUTEROWA INŻYNIERIA OBRAZÓW

Grafika komputerowa. Zajęcia IX

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

tel. (+4861) fax. (+4861)

Metody kodowania wybranych cech biometrycznych na przykładzie wzoru naczyń krwionośnych dłoni i przedramienia. Mgr inż.

Przedmowa 11 Ważniejsze oznaczenia 14 Spis skrótów i akronimów 15 Wstęp 21 W.1. Obraz naturalny i cyfrowe przetwarzanie obrazów 21 W.2.

ANALIZA SEMANTYCZNA OBRAZU I DŹWIĘKU

Cyfrowe przetwarzanie obrazów i sygnałów Wykład 7 AiR III

Strona 1 z 5 Wersja z dnia 9 grudnia 2010 roku

Artykuły przeglądowe Review articles

2. Próbkowanie Sygnały okresowe (16). Trygonometryczny szereg Fouriera (17). Częstotliwość Nyquista (20).

efekty kształcenia dla kierunku Elektronika studia stacjonarne drugiego stopnia, profil ogólnoakademicki

Screening raka piersi

Anna Fabijańska. Algorytmy segmentacji w systemach analizy ilościowej obrazów

EFEKTY UCZENIA SIĘ DLA KIERUNKU INŻYNIERIA DANYCH W ODNIESIENIU DO EFEKTÓW UCZENIA SIĘ PRK POZIOM 6

Spis treści. WSTĘP 13 Bibliografia 16

Michał Strzelecki Metody przetwarzania i analizy obrazów biomedycznych (1)

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2013/2014

Cyfrowe przetwarzanie obrazów i sygnałów Wykład 9 AiR III

Przekształcenia punktowe

Wspomaganie decyzji diagnostycznych w mammografii

Projektowanie Wirtualne bloki tematyczne PW I

KARTA MODUŁU / KARTA PRZEDMIOTU

Przetwarzanie Sygnałów. Zastosowanie Transformaty Falkowej w nadzorowaniu

Prof. Stanisław Jankowski

1.7. Eksploracja danych: pogłębianie, przeszukiwanie i wyławianie

Rok akademicki: 2017/2018 Kod: RIA s Punkty ECTS: 2. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Implementacja filtru Canny ego

Tyreologia opis przypadku 15

Systemy ekspertowe i ich zastosowania. Katarzyna Karp Marek Grabowski

PROGRAM NAUCZANIA PRZEDMIOTU FAKULTATYWNEGO NA WYDZIALE LEKARSKIM I ROK AKADEMICKI 2014/2015 PRZEWODNIK DYDAKTYCZNY

DIAGNOSTYKA OBRAZOWA

PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W NYSIE

Egzamin / zaliczenie na ocenę*

ALA MA KOTA MEDIA - OBRAZ OBRAZ. Operacje na obrazie. Informacja ukryta w teksturach, hierarchii krawędzi. Obraz to kompozycja:

ANTENA DWUSTOśKOWA NIESYMETRYCZNA

Komputerowa analiza obrazów z endoskopu bezprzewodowego dla diagnostyki medycznej

SYMULATOR EKG. Bartłomiej Bielecki 1, Marek Zieliński 2, Paweł Mikołajaczak 1,3

KIERUNKOWE EFEKTY KSZTAŁCENIA

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Szczegółowy zakres szkolenia wymagany dla osób ubiegających się o nadanie uprawnień inspektora ochrony radiologicznej

Typowe błędy w analizie rynku nieruchomości przy uŝyciu metod statystycznych

(pieczęć wydziału) KARTA PRZEDMIOTU. 2. Kod przedmiotu: PWBOB

Efekty kształcenia dla kierunku studiów INFORMATYKA, Absolwent studiów I stopnia kierunku Informatyka WIEDZA

Kalibracja kamery. Kalibracja kamery

TELEDIAGNOSTYCZNE OPROGRAMOWANIE DO POMIARÓW KRZYWIZN KRĘGOSŁUPA I KLASYFIKACJI ZŁAMAŃ KRĘGÓW

PORADNIK DLA PACJENTÓW Biopsja

Modelowanie krzywych i powierzchni

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

BADANIE WYBRANYCH PROCESÓW REALIZOWANYCH W SZPITALACH NA STYKU Z SYSTEMAMI E-ZDROWIA

10. Redukcja wymiaru - metoda PCA

Automatyczne rozpoznawanie mowy - wybrane zagadnienia / Ryszard Makowski. Wrocław, Spis treści

Wyższa Szkoła Informatyki Stosowanej i Zarządzania

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

MODELE LINIOWE. Dr Wioleta Drobik

RAKOOPORNI. Program profilaktyki raka piersi. Bezpłatne badania mammograficzne

Cyfrowe Przetwarzanie Obrazów i Sygnałów

W poszukiwaniu sensu w świecie widzialnym

Elektrofizjologiczne podstawy lokalizacji ogniska padaczkowego. Piotr Walerjan

ANALIZA HIERARCHICZNA PROBLEMU W SZACOWANIU RYZYKA PROJEKTU INFORMATYCZNEGO METODĄ PUNKTOWĄ. Joanna Bryndza

Transkrypt:

Modelowanie zmian patologicznych sutka z wykorzystaniem analizy wielorozdzielczej Artur Przelaskowski 1 Przemysław Wojtaszczyk 2, Anna Wróblewska 1 1 Politechnika Warszawska, Instytut Radiolelektroniki, Nowowiejska 15/19, 00-665 Warszawa 2 Uniwersytet Warszawski, Instytut Matematyki Stosowanej i Mechaniki, ul. Banacha 2, 02-097 Warszawa 1. Wprowadzenie Celem prowadzonych badań jest opracowanie efektywnych modeli guzków i skupisk mikrozwapnień w dziedzinie skala-przestrzeń do takich zastosowań jak: kompresja i indeksowanie, automatyczna detekcja i diagnoza (CADD), poprawa percepcji. Plan prowadzonych badań jest następujący: 1. Analiza treści diagnostycznej zawartej w obrazach z badań mammografii rentgenowskiej oraz w ultrasonograficznych badaniach sutka; ponadto uwzględnienie sposobu interpretacji badań obrazowych ( jak przebiega subiektywny proces decyzyjny obiektywizacja procedur). 2. Ocena porównawcza róŝnych metod przekształceń obrazów w wielu skalach. 3. Analiza obrazów (modeli, wzorców, zespołów cech) zmian patologicznych w dziedzinie wybranych transformacji wielu skal. 4. Wybór zestawu przekształceń najbardziej uŝytecznych dla róŝnego rodzaju patologii. 5. Dookreślenie modeli zmian na potrzeby róŝnych zastosowań wspomagających diagnostykę obrazową. W ramach tej pracy prezentowane są wstępne wyniki badań, głównie w zakresie pp. 1, 2, 3 oraz 4. Przeprowadzone eksperymenty dotyczą realizacji róŝnego typu przekształceń wielorozdzielczych na zróŝnicowanej klasie obrazów mammograficznych i przykładowych badaniach USG. Badano rozkłady wartości współczynników w poszczególnych skalach, w hierarchicznej strukturze podpasm częstotliwościowych, kierunkowych oraz geometrycznych baz segmentów liniowych. Uzyskane rezultaty pozwalają sformułować przesłanki dotyczące doboru metod analizy wielorozdzielczej oraz wskazówki do dalszych badań. 2. Cechy zmian patologicznych. W interpretacji badań mammograficznych wykorzystywane są dane pacjenta, wskazania do badania (skierowanie), opinia pacjenta (wywiad), historia badań (analiza porównawcza informacji obrazowej). Radiolog dokonuje wstępnej oceny symetrii obrazów sutków, jakości badań i poszczególnych zmian (interesujących regionów z badań wcześniejszych). W systemach cyfrowych dobierane są warunki prezentacji (skala, powiększenie etc). W przypadkach wątpliwych waŝne jest skorzystanie z tzw. drugiej oceny (inny radiolog lub system CAD, w niektórych krajach konsultacja taka jest obowiązkowa). Kategoryzację ocen przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Końcowa ocena diagnostyczna według zaleceń Amerykańskiego Kolegium Radiologii ACR/BI-RADS (Breast Imaging Reporting and Data System) [1][2] Kategoria Ocena 0 Ocena niekompletna Opis Dodatkowe badanie obrazowe 1 Negatywna Bez komentarza 2 Zmiana łagodna Zmiana zdecydowanie łagodna 3 Zmiana prawdopodobnie łagodna 4 Podejrzenie patologii 5 Silne przekonanie o patologii Bardzo wysokie prawdopodobieństwo zmiany łagodnej; krótkoczasowa kontynuacja w celu uzyskania pewności diagnozy Zmiana nietypowa, złośliwa ze znaczącym prawdopodobieństwem; naleŝy rozwaŝyć biopsję Wysokie prawdopodobieństw rakowej zmiany złośliwej; naleŝy podjąć odpowiednie działania Komputerowe wspomaganie subiektywnej interpretacji obrazów wymaga moŝliwie duŝej obiektywizacji przesłanek dotyczących detekcji i oceny charakteru zmian. W obliczeniowym modelowaniu zmian patologicznych waŝne są wiarygodne wzorce zmian patologicznych, poszukiwane algorytmicznie w obrazach z uwzględnieniem wspomnianego zróŝnicowania uŝytecznych cech, jak i realnego stosunku sygnał/szum. Wysiłek badawczy dotyczy przede wszystkim poszukiwania cech wzorców patologii w dziedzinie wielorozdzielczej zapewniających dobrą ich identyfikację, separowalność, obiektywizację opisu. Do wyznaczenia takich wzorców wykorzystano klasyfikację guzków (według kształtu i zarysu) oraz mikrozwapnień (według kształtu) w mammogramach ustaloną przez ACR/BI- RADS (rys. 1 i rys. 3). Podobna klasyfikacja zmian uŝywana jest w badaniach USG (tabela 2 i rys. 2) [3][4]. Tabela 2. Cechy zmian dające przesłanki rozróŝnienia zmian łagodnych i złośliwych. Cechy zmian łagodnych Kształt regularny Wyraźne brzegi Jednorodna tekstura Stała echogeniczność Cień krawędzi Równoległa do skóry poprawa widoczności struktur Cechy zmian złośliwych Kształt nieregularny Słabo określone brzegi Zacieniony środek Zaburzona architektura Mikrozwapnienia Zagęszczenie skóry

Rys. 1. Klasyfikacja guzków w mammografii według ACR/BI-RADS [2]. Rys. 2. Typowe przykłady guzków w USG [3][4].

Rys. 3. Klasyfikacja mikrozwapnień według ACR/BI-RADS [2]. 3. Metody analizy wielorozdzielczej do opisu zmian Bardzo istotną rolę diagnostyczną odgrywają układające się w kontury krawędzie, które rozdzielają poszczególne regiony (obiekty, elementy przestrzenne) charakteryzowane teksturą. Obrysy regionów mają zwykle gładki kształt, rozkład konturów składa się na geometryczną strukturę obrazu. Modelując fundamentalne cechy obrazów przyjęto, Ŝe uŝyteczność opisu zaleŝy w pierwszej kolejności od efektywnej reprezentacji krawędzi. Wyznaczone kontury pozwalają ustalić kształt i ocenić zarysy zmian. Identyfikacja fizjologicznych i anatomicznych struktur (obiektów diagnostycznych) jest skuteczniejsza poprzez optymalizację reprezentacji informacji obrazowej. Cecha skalowalności rozdzielczości obrazów naturalnych [5], w tym takŝe wielu medycznych, preferuje metody analizy danych obrazowych w wielu skalach. ZaleŜności danych w uzyskiwanej hierarchicznej strukturze skal charakteryzowanych częstotliwościowo i kierunkowo, pozwalają na efektywniejsze wydzielenie sygnału z szumów i artefaktów danej metody obrazowania, na dokładniejszą ocenę i klasyfikację wybranych obiektów, na ich uwydatnienie w rekonstruowanej następnie przestrzeni obrazu. Podstawowym kryterium optymalizacji transformacji wielu skal była maksymalna efektywność nieliniowej aproksymacji struktur istotnych diagnostycznie (tj. reprezentowanie oraz odtworzenie istotnych cech sygnału uŝytecznego za pomocą minimalnej liczby największych współczynników danej transformaty). Takie upakowanie informacji diagnostycznej pozwala na jej efektywną detekcję, oddzielenie od szumu, dokładną interpretację.

Przeprowadzono analizę moŝliwości wykorzystania dekompozycji falkowych z separowalnym jądrem 1W, jak równieŝ 2W (z nieseparowalnym jądrem). Wykorzystano analityczną bazę curvelets, z ich dyskretną realizacją w postaci contourlets i ridgelets, a takŝe geometryczne bazy wielu skal typu wedgelets i beamlets [6]. Obserwowano cechy wybranych patologii, głównie guzków spikularnych, regularnych i mikrozwapnień. Analitycznie, krawędziami w obrazach są nieciągłości funkcji jasności sąsiednich regionów (estymowanych średnich poziomów jasności w tych obszarach). Nieciągłość taka m jest w przybliŝeniu krzywą gładką C (ciągłą pochodną rzędu m). Zakładamy w tych rozwaŝaniach uciąglenie opisu struktur za pomocą funkcji i krzywych co najmniej 2 wymiarowych 2W (co do dziedziny). Mamy wtedy tzw. nieciągłość liniową (wzdłuŝ linii krzywej). Transformacja falkowa z separowalnym jądrem funkcji 1W nie pozwala uzyskać oszczędnej (upakowanej w wartościach minimalnej liczby współczynników) i spójnej reprezentacji krawędzi. Krzywe, nawet linia prosta, dają w reprezentacji falkowej wiele znaczących współczynników (małe upakowanie informacji), a ponadto niewielka modyfikacja wartości współczynników (w celu odszumienia, uwydatnienia struktur) moŝe powodować utratę spójności rekonstruowanej krawędzi (trudno zachować naturalny kształt krzywej). Falki pozwalają dobrze modelować jedynie nieciągłości punktowe (funkcji 1W). MoŜna wtedy uzyskać efektywną (w sensie aproksymacji nieliniowej) reprezentację jedynie niewielkich fragmentów konturów lub teŝ małych struktur, np. mikrozwapnień. Korzystnym jest dobór filtrów falkowych o niewielkim rozmiarze nośnika, przy czym zaobserwowano godną podkreślenia uŝyteczność falek Haara (zobacz rys. 4). Dobrą reprezentację mikrozwapnień i guzków dają bazy nadmiarowe (np. zaimplementowane i testowane przez nas falki undecimated rys. 5), takŝe w przypadku sutków gęstych (zobacz teŝ w [7]). Rys. 4. Reprezentacja mammogramu w dziedzinie falkowej (falki Haara, 3 i 6 poziomów dekompozycji, adaptacyjne wyrównanie histogramu w dziedzinie falkowej)

RozwaŜania dotyczące doboru poziomu regularności (np. Lipschitza) funkcji (krzywych) bazowych stają się bardziej uŝyteczne w przypadku falek 2W, przede wszystkim w postaci curvelets. Pozwalają one optymalnie aproksymować krzywe C 2, przy czym nie zawsze taki model pasuje do konturów wybranych guzków (mogą być mniej lub bardziej gładkie). Dekompozycja za pomocą contourlets pozwala dopasować filtry kierunkowe do rodzaju patologii i dają dobre rezultaty aproksymacji przede wszystkim guzków regularnych. Geometryczne bazy wedgelets pozwalają znacząco uprościć opis konturów o charakterze w przybliŝeniu liniowym aproksymując za pomocą dokładnych skal krzywe o dowolnie nieregularnym kształcie. Liniowe segmenty guzków spikularnych są dobrze opisywalne za pomocą bazy beamlets wykorzystywanej w detekcji kształtu guzków [8]. UŜyteczną w opisie spikuli znaczących rozmiarów jest teŝ ogólna postać transformacji Radona [9]. 4. Wybrane rezultaty i konkluzje Na rysunkach 4-6 przedstawiono wybrane efekty dekompozycji obrazów w wielu skalach i wstępnego wykorzystania modeli zmian. Określone zostały przekształcenia suboptymalne dla wybranych zmian, dobrano takŝe najbardziej przydatne rodziny filtrów i parametry przekształceń. Przeprowadzone z udziałem radiologów eksperymenty miały charakter wstępny i wymagają potwierdzenia na znaczącej liczbie badań klinicznych. Dotyczyły przede wszystkim poprawy percepcji zmian i detekcji mikrozwapnień. a)

b) Rys. 5. Detekcja zmian z wykorzystaniem analizy wielorozdzielczej: wyznaczane są lokalne maksima (lokalizacja kandydatów) w róŝnych skalach [10]; a) interfejs oprogramowania, b) rezultaty: z lewej detekcja mikrozwapnień z obrazu oryginalnego, z prawej na podstawie rekonstrukcji z nadmiarowej dziedziny falkowej (undecimated wavelets). a) b) a) b) Rys. 6. Poprawa percepcji z wykorzystaniem metod wielorozdzielczych; adaptacyjne progowanie w róŝnych skalach: a) oryginał, b) uwydatnione zmiany. Uzyskano zauwaŝalną poprawę efektywności automatycznej detekcji zmian i poprawę percepcji weryfikowaną w testach subiektywnych (ocena wstępna na poziomie kilkunastu procent). Analizowane metody reprezentacji informacji obrazowej są uŝyteczne przede wszystkim jako inteligentna prezentacja. Stanowią bogaty potencjał, który umoŝliwia personalizację stacji diagnostycznej w zaleŝności od doświadczenia i preferencji radiologa oraz zakresu prowadzonych badań diagnostycznych. Wymagają więc zrozumienia moŝliwości opracowanych narzędzi oraz interakcyjnej optymalizacji przy współpracy radiologów i inŝynierów. Aby optymalnie dobrać wielorozdzielczą reprezentację obrazów naleŝy uwzględnić cechy danego systemu obrazowania, subiektywną procedurę interpretacji oraz wiarygodną charakterystykę zmian patologicznych. Istotna jest tekstura, krzywizna krawędzi, lokalna estymacja kontrastu, oszacowanie szumów, kontekstowe relacje obiekt-tło etc. Dalsze badania skoncentrowane będą na dokładniejszej ocenie zaleŝności pomiędzy cechami wybranych

systemów obrazowania, rodzajem patologii i skojarzonymi modelami z badań mammografii i USG. Bibliografia [1] American College of Radiology (ACR). Breast imaging reporting and data system (BI-RADS), 3rd ed. Reston, VA: ACR; 1998 [2] Bassett, L.W.: Imaging the Breast. In Cancer Medicine, Section 9. Principles of Imaging, 5 th edition, B.C. Decker Inc., Hamilton, Ontario, Canada, 2000, pp. 420-427 [3] Kim, K.G.; Kim, J.H.; Min, B.G.: Classification of malignant and benign tumors using boundary characteristics in breast ultrasonography. Journal of Digital Imaging. Vol 15, Suppl 1, 2002, pp. 224-227 [4] André, MP; Galperin, M.; Olson, L.K. et al.: Improving the accuracy of diagnostic breast ultrasound. http://www.almenlabs.com/files/breastultrasoundlosseptember2001.pdf [5] Ruderman, D.L.: Origins of scaling in natural images. Vision Research Elsevier. Vol. 37, No. 23, 1997, pp. 3385-3398 [6] Führ, H.; Demaret, L.; Friedrich, F.: Beyond wavelets: New image representation paradigms. http://ibb.gsf.de/preprints/2005/pp05-05.html [7] Mekle, R.; Laine, A.F.; Smith, S.J.; et al.: Evaluation of a multiscale enhancement protocol for digital mammography. In Wavelet Applications in Signal and Image Proc. VIII. Proc. of SPIE. Vol. 4119, 2000, pp. 1038-1049 [8] Sampat, M.P.; Markey, M.K., Bovik A.C.: Classification of mammographic lesions into BI-RADS shape categories using the beamlet transform. Medical Imaging 2005: Image Processing. Proc. SPIE, Vol. 5747, 2005, pp. 16-25 [9] Sampat, M.P.; Markey, M.K.; Bovik, A.C.: Evidence-based detection of spiculated masses and architectural distortions. Medical Imaging 2005: Image Processing, Proc. SPIE. Vol. 5747, 2005, pp. 26-37 [10] System wspomagania diagnostyki mammograficznej MammoViewer, http://www.ire.pw.edu.pl/~awroble/ania_pliki/badania.html