ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Ανάπτυξη Συστήματος Ανάλυσης Εικόνων και Βίντεο Αυτοφθορίζουσας Βρογχοσκόπησης με Χρήση Μεθόδων Όρασης Υπολογιστών και Αναγνώρισης Προτύπων για την Ανίχνευση Καρκίνου του Πνεύμονα σε Πρώιμα Στάδια ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Παναγιώτης Β. Μπούντρης Επιβλέπων : Δημήτριος-Διονύσιος Κουτσούρης Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Απρίλιος 2008

2

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Ανάπτυξη Συστήματος Ανάλυσης Εικόνων και Βίντεο Αυτοφθορίζουσας Βρογχοσκόπησης με Χρήση Μεθόδων Όρασης Υπολογιστών και Αναγνώρισης Προτύπων για την Ανίχνευση Καρκίνου του Πνεύμονα σε Πρώιμα Στάδια ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Παναγιώτης Β. Μπούντρης Επιβλέπων : Δημήτριος-Διονύσιος Κουτσούρης Καθηγητής Ε.Μ.Π. Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 15 η Απριλίου Δ.-Δ. Κουτσούρης Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Κ. Νικήτα Καθηγήτρια Ε.Μ.Π.... Π. Τσανάκας Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Απρίλιος 2008

4 ... Παναγιώτης Β. Μπούντρης Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Παναγιώτης Β. Μπούντρης, Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

5 Περίληψη Ο καρκίνος του πνεύμονα είναι η συχνότερη νεοπλασία και μία από τις κυριότερες αιτίες θανάτου. Δεδομένης της κακής γενικά πρόγνωσης της νόσου όταν πλέον ανιχνευθεί στην ακτινογραφία θώρακος ή γίνει συμπτωματική, υπάρχει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον για την πρώιμη ανίχνευση των προνεοπλασματικών αλλοιώσεων. Μια από τις σημαντικότερες κλινικές μεθόδους πρώιμης διάγνωσης του καρκίνου του πνεύμονα είναι η Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση (ΑΦΒ), η οποία εντοπίζει παθολογικές περιοχές στον βρογχικό βλεννογόνο βασιζόμενη στον διαφορετικό φθορισμό των φυσιολογικών από τα νεοπλασματικά κύτταρα. Παρά τη δυναμική της, η μέθοδος εμφανίζει ένα σημαντικό μειονέκτημα το υψηλό ποσοστό εμφάνισης Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων (ΨΘΕ), καθώς η φλεγμονή του βρογχικού βλεννογόνου μπορεί επίσης να φθορίσει σε παρόμοια μήκη κύματος με τον καρκίνο. Επί τούτου πολλές κλινικές μελέτες έχουν εκτελεσθεί και στο σύνολό τους αναφέρουν την εμφάνιση ΨΘΕ σε ποσοστό της τάξης του 30%. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη συστήματος ανάλυσης και επεξεργασίας εικόνων και βίντεο ΑΦΒ με στόχο την ορθότερη δυνατή ταξινόμηση των περιοχών παθολογικού φθορισμού έτσι ώστε να επιτευχθεί μείωση των ΨΘΕ, βελτίωση της ευαισθησίας και ειδικότητας του συστήματος και, τελικά, βελτίωση της διαγνωστικής ικανότητας της μεθόδου. Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν εικόνες και βίντεο από 9 ασθενείς που υποβλήθηκαν σε ΑΦΒ στη μονάδα Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Σισμανόγλειου Γ.Ν.Α. Από αυτούς, 3 διαγνώστηκαν με καρκίνο, 3 με φλεγμονή και 3 χωρίς παθολογικά ευρήματα. Συνολικά, επιλέχθηκαν και αναλύθηκαν 200 εικόνες κακοήθειας, 200 εικόνες φλεγμονής και 200 εικόνες φυσιολογικού ιστού. Χρησιμοποιήθηκαν, σε συνδυασμό, εξελιγμένες τεχνικές όρασης υπολογιστών και αναγνώρισης προτύπων προκειμένου να αναγνωριστούν και να προτυποποιηθούν οι περιοχές παθολογικού φθορισμού. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές στο χώρο των wavelets για την αποθορυβοποίηση των εικόνων. Εν συνέχεια αναλύθηκαν περιοχές κακοήθειας, φλεγμονής και φυσιολογικού ιστού με χρήση τεχνικών μετάβασης σε χρωματικούς χώρους και ανάλυσης υφής. Διαπιστώθηκε ότι εφαρμόζοντας μεθόδους ανάλυσης υφής εικόνας στο κανάλι H του χώρου HSV, οι απόλυτες τιμές και η διακύμανση

6 ορισμένων στατιστικών παραμέτρων της υφής διαφέρουν μεταξύ των περιοχών κακοήθειας και φλεγμονής. Με βάση τις μετρήσεις αυτών των χαρακτηριστικών υφής υλοποιήθηκε σύστημα ταξινόμησης των περιοχών ενδιαφέροντος, σε κακοήθεις, φλεγμονώδεις και φυσιολογικές. Κατασκευάστηκαν 4 ταξινομητές προτύπων ιστού (δύο με χρήση στατιστικών μεθόδων ταξινόμησης και δύο με χρήση νευρωνικών δικτύων). Για την αξιολόγηση του συστήματος ταξινόμησης επιλέχθηκαν 180 νέες εικόνες ΑΦΒ από 10 περιστατικά, τα αρχικά 9 και ενός περιστατικού φλεγμονής που δεν χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση των εικόνων. Από τις 180 νέες εικόνες, μόνο 2 ταξινομήθηκαν λανθασμένα, επιτυγχάνοντας έτσι διαχωρισμό των περιοχών κακοήθειας και φλεγμονής σε ποσοστό της τάξης του 98%. Τέλος, βάσει των αποτελεσμάτων, κατασκευάστηκε σύστημα υποστήριξης διάγνωσης προνεοπλασματικών βλαβών στον βρογχικό βλεννογόνο, αποτελούμενο από δύο επιμέρους μονάδες: 1) τη μονάδα επεξεργασίας εικόνας που βελτιστοποιεί την απεικόνιση των περιοχών ενδιαφέροντος επιτρέποντας έτσι στον βρογχοσκόπο να διακρίνει καλύτερα μεταξύ κακοήθειας και ΨΘΕ και 2) τη μονάδα επεξεργασίας βίντεο που αναλύει σε πραγματικό χρόνο το βίντεο ΑΦΒ ανιχνεύοντας την ύπαρξη περιοχών ύποπτων για κακοήθεια. Σε περίπτωση που κάποια περιοχή ταξινομηθεί ως κακοήθεια, πλαισιώνεται κατάλληλα στο βίντεο της ΑΦΒ επισημαίνοντας στον βρογχοσκόπο ότι πρόκειται για ύποπτη περιοχή. Το τελικό σύστημα που αναπτύχθηκε λειτουργεί σε πραγματικό χρόνο και μπορεί να αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο υποβοήθησης της διάγνωσης κατά τη βρογχοσκόπηση και πρώιμης ανίχνευσης του καρκίνου του πνεύμονα. Λέξεις Κλειδιά: Ψηφιακή επεξεργασία εικόνας και βίντεο, Ανάλυση wavelet, Χρωματική ανάλυση, Ανάλυση υφής εικόνας, Ταξινόμηση προτύπων, Νευρωνικά δίκτυα, Σύστημα υποστήριξης διάγνωσης, Καρκίνος του πνεύμονα, Αυτοφθορίζουσα βρογχοσκόπηση.

7 Abstract Lung cancer is the most common cancer and one of the major causes of death. Since symptoms of lung cancer often do not appear until the disease is advanced, there is a lot of interest in the early detection of bronchial preneoplastic lesions. Autofluorescence bronchoscopy (AFB) is an established method for the detection of early malignant lesions, by measuring the absolute or relative autofluorescence intensity and spectral contrasts between normal tissue and early neoplastic lesions. Autofluorescence bronchoscopy is, however, characterized by low specificity and a high rate of false positive findings (FPFs). The majority of FPFs are due to inflammations, as they often fluoresce at the same wavelengths with cancer. According to several clinical trials, the percentage of the FPFs is about 30%. The scope of this diploma thesis is the development of an image and video processing system for the classification of suspicious areas of the bronchial mucosa, in order to decrease the rate of FPFs, to increase the specificity and sensitivity of AFB and enhance the overall diagnostic value of the AFB method. In order to develop this system, we used AFB images and videos from 9 AFB cases which took place at the Fluorescence Bronchoscopy and Laser Treatment Unit of the Sismanoglio General Hospital of Attica. These consist of 3 cases in which the biopsies were classified as cancer, 3 in which the biopsies were classified as inflammation (but during the AFB examination they fluoresced at the same wavelengths with cancer - FPFs) and 3 in which there weren t any pathological findings (healthy patients). In total, we collected and analyzed 200 AFB images from cancer cases, 200 AFB images from inflammation cases and 200 AFB images from healthy cases. In order to recognize and classify the suspicious areas of the bronchial mucosa, we combined advanced machine vision and pattern recognition techniques. Firstly, we used wavelet-based techniques so as to de-noise the AFB images. Afterwards, we analyzed malignant, inflammatory and healthy areas of the AFB images using colour space analysis and texture analysis techniques. Applying texture analysis on the H component of the HSV colour space, we concluded that the values and the variance of certain high order texture statistics differ between malignant and inflammatory areas.

8 Based on the measurements of these texture features on the 600 regions of interest (ROI), we developed a pattern classification system in order to classify suspicious areas of bronchial mucosa in malignant, inflammatory and healthy tissue. We designed 4 pattern classifiers using statistical pattern recognition methods and neural networks. For the evaluation of the classification system we employed a set of 180 new AFB images from the 9 cases we studied, plus one new case of inflammation. The percentage of correct classifications was 98%, achieving high discrimination between malignant and inflammatory tissues. Using the results of the image analysis and the classifiers we designed, we developed a Computer-Αided Diagnostic (CAD) system for the detection of bronchial preneoplastic lesions, which composed of an image processing unit and a video processing unit. The image processing unit improves the bronchial screening in order to help the physicians to distinguish better between the true and the false positive cases. The video processing unit analyses in real time the AFB video and detects the bronchial mucosa for suspicious areas. If an area is classified as malignant tissue, it is being framed properly in order to show to the physicians that a suspicious malignant area has been detected. The CAD system is running in real time making it a useful aided diagnosis tool for the early detection of lung cancer. Key-words: Digital image and video processing, Wavelet analysis, Colour space analysis, Texture analysis, Pattern Classification, Neural Networks, Computer-Αided Diagnosis, Lung cancer, Autofluorescence bronchoscopy

9 Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου σε συνεργασία με τη Μονάδα Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Σισμανόγλειου Γ.Ν.Α. Για την πραγματοποίησή της θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές ευχαριστίες μου προς τον επιβλέποντα καθηγητή, κ. Δημήτρη Κουτσούρη, για την ανάθεση του θέματος και τη συνολική υποστήριξή του. Τη Δρα. Μαρία Χαρίτου και τον Δρα. Νικόλαο Αποστόλου, για τη συνεχή και ακούραστη καθοδήγησή τους, τις συμβουλές που με μεγάλη προθυμία μου προσέφεραν σε οποιαδήποτε δυσκολία ή προβληματισμό αντιμετώπισα, καθώς και για την εμπιστοσύνη με την οποία με περιέβαλαν. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τη Δρα. Ανδριάνα Πρέντζα για την επιστημονική συμβολή της στην τεκμηρίωση των τελικών αποτελεσμάτων. Ακόμη, ευχαριστώ τα μέλη της τριμελούς επιτροπής κυρία Κωνσταντίνα Νικήτα και κύριο Παναγιώτη Τσανάκα, καθηγητές της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ του Ε.Μ.Π. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω στη Δρα. Ελισάβετ Πασσαλίδου, υπεύθυνη ιατρό της Μονάδας Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Σισμανόγλειου Γ.Ν.Α., για την άψογη συνεργασία που είχαμε όλο αυτό το διάστημα. Χωρίς την επιστημονική, αλλά και ηθική, συμβολή της, η ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας θα ήταν αδύνατη. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους εκείνους που με τον τρόπο τους συνέβαλαν στην περάτωση αυτής της εργασίας. Θέμα της εργασίας είναι η ανάπτυξη συστήματος ανάλυσης εικόνων και βίντεο Αυτοφθορίζουσας Βρογχοσκόπησης (ΑΦΒ) με χρήση μεθόδων όρασης υπολογιστών και αναγνώρισης προτύπων για την ανίχνευση καρκίνου του πνεύμονα σε πρώιμα στάδια. Στόχος της εργασίας είναι η εξαγωγή κατάλληλων χαρακτηριστικών, με βάση τα οποία είναι δυνατή η διάκριση μεταξύ καρκίνου και φλεγμονής, καθώς και η υλοποίηση ενός συστήματος υποστήριξης διάγνωσης για τον ακριβέστερο εντοπισμό και διαχωρισμό περιοχών κακοήθειας και φλεγμονής. 9

10 Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στην ανατομία του αναπνευστικού συστήματος και τον καρκίνο του πνεύμονα. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στη μέθοδο της βρογχοσκόπησης ως διαγνωστικού εργαλείου. Στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται οι φυσικοί μηχανισμοί αλληλεπίδρασης φωτός και ιστού, με έμφαση στο φαινόμενο του φθορισμού. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η τεχνική της αυτοφθορίζουσας βρογχοσκόπησης για την πρώιμη διάγνωση του καρκίνου του πνεύμονα. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται κλινικά περιστατικά με σκοπό να περιγραφεί το πρόβλημα των ψευδώς θετικών ευρημάτων της ΑΦΒ. Στο έκτο κεφάλαιο αναφέρονται οι διαδικασίες συλλογής και προεπεξεργασίας των δεδομένων με έμφαση στην αποθορυβοποίηση των εικόνων ΑΦΒ με χρήση τεχνικών wavelets. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση εικόνων ΑΦΒ σε χρωματικό επίπεδο, καθώς και τα αποτελέσματα αυτής. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζεται η εφαρμογή μεθόδων ανάλυσης υφής στις εικόνες ΑΦΒ. Στο ένατο κεφάλαιο γίνεται στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων της ανάλυσης υφής καθώς και επιλογή των χαρακτηριστικών υφής με τη μεγαλύτερη ικανότητα κατηγοριοποίησης των περιοχών ενδιαφέροντος. Στο δέκατο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στις μεθόδους ταξινόμησης προτύπων και παρουσιάζονται οι 4 ταξινομητές που υλοποιήθηκαν στο πλαίσιο της εργασίας. Στο ενδέκατο κεφάλαιο παρουσιάζεται το σύστημα υποστήριξης διάγνωσης που αναπτύχθηκε με βάση την ανάλυση εικόνων ΑΦΒ και τους ταξινομητές προτύπων ιστού, καθώς και η εφαρμογή του σε εικόνες και βίντεο ΑΦΒ. Τέλος στο δωδέκατο κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα με βάση τα αποτελέσματα της εφαρμογής του συστήματος υποστήριξης διάγνωσης σε εικόνες και βίντεο ΑΦΒ και προτείνονται θέματα για μελλοντική έρευνα. 10

11 Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΤΟΜΙΑ ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΚΑΡΚΙΝΟΣ ΤΟΥ ΠΝΕΥΜΟΝΑ 1.1 Στοιχεία ανατομίας αναπνευστικού συστήματος Ανατομία βρογχικού δέντρου Τραχεία Κύρια Τρόπιδα (καρίνα) Δεξιό βρογχικό δένδρο Αριστερό βρογχικό δένδρο Καρκίνος Καρκίνος του πνεύμονα Επιδημιολογία Συμπτώματα Διάγνωση Θεραπεία Καρκινογένεση Τύποι και στάδια καρκίνου του πνεύμονα Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΒΡΟΓΧΟΣΚΟΠΗΣΗ 2.1 Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή Συστήματα βρογχοσκόπησης Βρογχοσκόπια Διαγνωστική και θεραπευτική βρογχοσκόπηση Δείγματα βρογχοσκοπικών εικόνων Βιβλιογραφία

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΦΥΣΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΦΩΤΟΣ ΜΕ ΙΣΤΟΥΣ - ΦΘΟΡΙΣΜΟΣ 3.1 Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης φωτός-ιστού Φθορισμός βιολογικών ιστών Ο φθορισμός στην ανίχνευση καρκίνου Βιβλιογραφία 77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΥΤΟΦΘΟΡΙΖΟΥΣΑ ΒΡΟΓΧΟΣΚΟΠΗΣΗ 4.1 Εισαγωγή Η μέθοδος της αυτοφθορίζουσας βρογχοσκόπησης στην πρώιμη διάγνωση του καρκίνου του πνεύμονα Συστήματα αυτοφθορίζουσας βρογχοσκόπησης Κλινική αξιολόγηση της χρήσης αυτοφθορισμού Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΩΝ ΨΕΥΔΩΣ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΥΡΗΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΑΦΒ - ΚΛΙΝΙΚΑ ΠΕΡΙΣΤΑΤΙΚΑ 5.1 Εισαγωγή Κλινικά περιστατικά Παρουσίαση του προβλήματος και των κλινικών περιστατικών Ο ρόλος της βιοϊατρικής έρευνας στην αντιμετώπιση του προβλήματος Βιβλιογραφία

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΥΛΛΟΓΗ ΚΑΙ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΛΙΝΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 6.1 Συγκέντρωση και διαλογή Προεπεξεργασία Το πρόβλημα του θορύβου στις εικόνες ΑΦΒ Μέθοδοι αποθορυβοποίησης εικόνων Εισαγωγή στα wavelets Αποθορυβοποίηση με χρήση wavelets Αποθορυβοποίηση βρογχοσκοπικών εικόνων με wavelets Βιβλιογραφία 124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ ΑΦΒ ΣΕ ΧΡΩΜΑΤΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ 7.1 Εισαγωγή Θεμελιώδη στοιχεία χρώματος Χρωματικά Μοντέλα (Χρωματικοί Χώροι) Τα σημαντικότερα χρωματικά μοντέλα Το χρωματικό μοντέλο RGB Το χρωματικό μοντέλο HSV Χρωματική Ανάλυση εικόνων ΑΦΒ Ανάλυση στον χώρο RGB Ανάλυση σε άλλους χρωματικούς χώρους Ανάλυση στο χρωματικό χώρο HSV Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΝΑΛΥΣΗ ΥΦΗΣ ΕΙΚΟΝΩΝ ΑΦΒ 8.1 Εισαγωγή Η υφή στις ψηφιακές εικόνες Μέθοδοι ανάλυσης της υφής Στατιστικά στοιχεία ν-οστής τάξης Πίνακες συνεμφάνισης (Co-occurrence matrices) Στατιστικά στοιχεία πινάκων συνεμφάνισης Ανάλυσης της υφής των περιοχών κακοήθειας και φλεγμονής Υπολογισμός στατιστικών στοιχείων της υφής Κατασκευή Βάσης Δεδομένων με τα χαρακτηριστικά υφής περιοχών κακοήθειας, φλεγμονής και φυσιολογικού ιστού Αποτελέσματα μετρήσεων της υφής των περιοχών καρκίνου, φλεγμονής και φυσιολογικού ιστού Συμπεράσματα Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ - ΕΠΙΛΟΓΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΣ 9.1 Εισαγωγή Στατιστική ανάλυση των μετρήσεων υφής Μέσες τιμές και τυπικές αποκλίσεις των μετρήσεων Ιστογράμματα κατανομής των μετρήσεων Συμπεράσματα Επιλογή χαρακτηριστικών υφής για ταξινόμηση περιοχών ιστού Student s T-Test Δείκτης FDR Έλεγχος κανονικότητας Kolmogorov-Smirnov Ανάλυση των εμπειρικών αθροιστικών συναρτήσεων κατανομής των χαρακτηριστικών υφής

15 9.3.4 Συμπεράσματα Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΙΣΤΟΥ 10.1 Εισαγωγή Ταξινομητές Κοντινής Γειτονίας Ταξινόμηση Κοντινότερου Γείτονα Ταξινόμηση k-κοντινότερων Γειτόνων Ταξινόμηση Κοντινότερης Ομάδας Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα Το βασικό μοντέλο Τεχνητού Νευρώνα Τύποι Νευρωνικών Δικτύων Εκπαίδευση των Νευρωνικών Δικτύων Ταξινόμηση Προτύπων με χρήση Πολυεπίπεδων ΝΔ Πρόσθιας Τροφοδότησης Ταξινόμηση Προτύπων με χρήση ΝΔ Ακτινικών Συναρτήσεων Βάσης Το Πιθανοτικό ΝΔ Συνάρτησης Ακτινικής Βάσης Ταξινόμηση περιοχών ενδιαφέροντος εικόνων ΑΦΒ με χρήση ταξινομητών κοντινής γειτονίας Βάση γνώσης συστήματος ταξινόμησης κοντινής γειτονίας Ταξινομητής k κοντινών γειτόνων Ταξινομητής ελάχιστης απόστασης Mahalanobis Ταξινόμηση περιοχών ενδιαφέροντος εικόνων ΑΦΒ με χρήση νευρωνικών δικτύων Ταξινόμηση με πολυεπίπεδο ΝΔ πρόσθιας τροφοδότησης Ταξινόμηση με πιθανοτικό ΝΔ ακτινικών συναρτήσεων βάσης Απόδοση ταξινομητών Βιβλιογραφία

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 ΣΥΣΤΗΜΑ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΔΙΑΓΝΩΣΗΣ ΠΡΟ- ΝΕΟΠΛΑΣΜΑΤΙΚΩΝ ΒΛΑΒΩΝ ΣΤΟΝ ΒΡΟΓΧΙΚΟ ΒΛΕΝΝΟΓΟΝΟ 11.1 Εισαγωγή Υπολογιστικά Συστήματα Υποστήριξης Διάγνωσης και ΑΦΒ Η βασική δομή του συστήματος Σύστημα ταξινόμησης περιοχών ενδιαφέροντος σε εικόνες ΑΦΒ Σύστημα αυτόματης ανίχνευσης περιοχών κακοήθειας σε βίντεο ΑΦΒ σε πραγματικό χρόνο Αρχιτεκτονική συστήματος Αποτελέσματα ανάλυσης και επεξεργασίας βίντεο σε πραγματικό χρόνο Βιβλιογραφία. 267 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ 12.1 Συμπεράσματα Μελλοντική έρευνα

17 Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 1.1 Ανατομία αναπνευστικού συστήματος 29 Εικόνα 1.2 Άνω αεροφόρος οδός Εικόνα 1.3 Κάτω αεροφόρος οδός. 31 Εικόνα 1.4 Πνεύμονες 31 Εικόνα 1.5 Λοβοί πνευμόνων 32 Εικόνα 1.6 Βρογχικό δέντρο.. 32 Εικόνα 1.7 Βρογχοπνευμονικά τμήματα και οι βρόγχοι που τα τροφοδοτούν.. 33 Εικόνα 1.8 Το τραχειοβρογχικό δέντρο παρατηρούμενο από την αρχή της τραχείας Εικόνα 1.9 Τραχεία 36 Εικόνα 1.10 Κύριοι βρόγχοι (δεξιός και αριστερός) και κύρια τρόπιδα Εικόνα 1.11 Αριστερό βρογχικό δέντρο 39 Εικόνα 1.12 Ποσοστά θνησιμότητας για τους συχνότερους καρκίνους (έρευνα για το έτος 2001). 42 Εικόνα 1.13 Παγκόσμια ποσοστά εμφάνισης και θνησιμότητας καρκίνου του πνεύμονα Εικόνα 1.14 Σχηματική περιγραφή της καρκινογένεσης σε επιθήλιο Εικόνα 2.1 Βρογχοσκόπηση με άκαμπτο βρογχοσκόπιο Εικόνα 2.2 Βρογχοσκόπηση με εύκαμπτο βρογχοσκόπιο. 54 Εικόνα 2.3 Εύκαμπτο Βίντεο-Βρογχοσκόπιο τελευταίας γενιάς Εικόνα 2.4 Άκρο ενός βίντεο-βρογχοσκοπίου. Διακρίνεται η CCD κάμερα (objective lens), το κανάλι αναρρόφησης (suction channel), το κανάλι βιοψίας (instrument channel) και οι οπτικές ίνες που μεταφέρουν το φως (light guide). 56 Εικόνα 2.5 Ολοκληρωμένο σύστημα βίντεο-βρογχοσκόπησης. 57 Εικόνα 2.6 Βρογχοσκόπηση με βίντεο-ινοβρογχοσκόπιο.. 57 Εικόνα 2.7 Λήψη βρογχικών εκκρίσεων 59 Εικόνα 2.8 Ψήκτρες διαφόρων μεγεθών και τύπων Εικόνα 2.9 Λαβίδες ενδοβρογχικής βιοψίας διαφόρων τύπων

18 Εικόνα 2.10 Φυσιολογικός κύριος διχασμός.. 62 Εικόνα 2.11 Φυσιολογική αριστερή κατώτερη διακλάδωση. 63 Εικόνα 2.12 Βρογχίτιδα. Αριστερή κατώτερη διακλάδωση.. 63 Εικόνα 2.13 Ενεργός φυματιώδης λεμφαδενίτιδα. Δεξιός κύριος βρόγχος Εικόνα 2.14 Αλλοίωση από διογκωμένους λεμφαδένες. Αριστερός κύριος βρόγχος Εικόνα 2.15 Καρκίνωμα in situ. Αριστερή κατώτερη διακλάδωση.. 65 Εικόνα 2.16 Επιθετικός Καρκίνος. Δεξιός κατώτερος βρόγχος 66 Εικόνα 3.1 Αλληλεπίδραση φωτός-ιστού. Απεικόνιση μηχανισμού ανάκλασης, απορρόφησης, σκέδασης και διάδοσης Εικόνα 4.1 Αυτοφθορισμός (α) φυσιολογικού ιστού, (β) δυσπλασίας, (γ) καρκινώματος in situ 81 Εικόνα 4.2 ΑΦΒ με το σύστημα LIFE (1996). Η εικόνα Α είναι βρογχοσκοπική εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης (λευκού φωτός) από τον ανώτερο αριστερό λοβό του πνεύμονα. Η εικόνα Β παρουσιάζει την ίδια περιοχή χρησιμοποιώντας αυτοφθορισμό. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ανιχνεύτηκε καρκίνωμα in situ. Η βλάβη (κυκλωμένη περιοχή) παρατηρείται ως καφετί περιοχή σε ένα πράσινο υπόβαθρο Εικόνα 4.3 ΑΦΒ με το σύστημα SAFE-3000 (2004). Αριστερά η εικόνα με χρήση λευκού φωτός και δεξιά η αντίστοιχη με χρήση αυτοφθορισμού. Όπως και στο LIFE, οι ύποπτες περιοχές εμφανίζονται με σκούρο κόκκινο-καφέ (κυκλωμένη περιοχή) ενώ ο φυσιολογικός βλεννογόνος με πράσινη απόχρωση. Η ανάλυση του βρογχοσκοπικού βίντεο έχει αυξηθεί με αποτέλεσμα την καλύτερη απεικόνιση της ΑΦΒ.. 85 Εικόνα 4.4 ΑΦΒ με το σύστημα D-Light (2000). Πάνω η εικόνα με χρήση λευκού φωτός και κάτω η αντίστοιχη με χρήση αυτοφθορισμού. Σε αντίθεση με τα άλλα συστήματα ΑΦΒ, στο D-Light οι ύποπτες περιοχές εμφανίζονται μπλε-μωβ (κυκλωμένη περιοχή) ενώ ο φυσιολογικός βλεννογόνος με πράσινη απόχρωση. 86 Εικόνα 4.5 Α) Εικόνα ΑΦΒ από το σύστημα LIFE. Το τραύμα παρουσιάζει ίδια απόχρωση με την ύποπτη περιοχή αποτελώντας έτσι ψευδώς θετικό εύρημα. Β) Εικόνα ΑΦΒ από το σύστημα D- Light. Το τραύμα εμφανίζεται κόκκινο, διαφορετικό από την ύποπτη (κυκλωμένη) περιοχή της εικόνας 4.4, και έτσι δεν αποτελεί ψευδώς θετικό εύρημα. 87 Εικόνα 5.1 Εικόνες ΑΦΒ από φυσιολογικό βλεννογόνο.. 97 Εικόνα 5.2 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή φλεγμονής (κυκλωμένη περιοχή) - Περιστατικό ΦΑ 2 97 Εικόνα 5.3 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β), (γ) εικόνες ΑΦΒ από περιοχές φλεγμονής 18

19 (κυκλωμένες περιοχές) - Περιστατικό ΦΑ Εικόνα 5.4 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή (κυκλωμένη) κακοήθειας (carcinoma in situ) - Περιστατικό ΚΑ Εικόνα 5.5 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή φλεγμονής (κυκλωμένη περιοχή) - Περιστατικό ΦΑ Εικόνα 5.6 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή (κυκλωμένη) κακοήθειας (καρκίνος σε προχωρημένο στάδιο) - Περιστατικό ΚΑ Εικόνα 5.7 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή (κυκλωμένη) κακοήθειας (επιθετικό καρκίνωμα) - Περιστατικό ΚΑ Εικόνα 5.8 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης από ύποπτη περιοχή (κυκλωμένη περιοχή). (β) Εικόνα ΑΦΒ από την ίδια περιοχή. Από την εικόνα ΑΦΒ γίνεται σαφές ότι η περιοχή είναι φυσιολογική - Περιστατικό ΦΒ Εικόνα 5.9 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή φλεγμονής (κυκλωμένη περιοχή) - Περιστατικό ΦΑ Εικόνα 6.1 Εικόνα από το περιστατικό ΦΑ 2. Ο περιοδικός θόρυβος παρουσιάζεται έντονα.110 Εικόνα 6.2 Εικόνα από το περιστατικό ΚΑ 3. Υπάρχει θόρυβος στην εικόνα αλλά σε πολύ μικρότερη ένταση σε σχέση με το περιστατικό ΦΑ 2 (Εικόνα 6.1)..111 Εικόνα 6.3 Η εικόνα 6.1 αποθορυβοποιημένη με χρήση του χωρικού φίλτρου Gaussian σε παράθυρο 5x5 και με παράμετρο τυπικής απόκλισης σ=2. Αν και υπάρχει μείωση του θορύβου, αυτός δεν έχει εξαλειφθεί πλήρως και έχει αναμιχθεί με την υπόλοιπη εικόνα 113 Εικόνα 6.4 Αποθορυβοποίηση εικόνας με το wavelet toolbox του Matlab..118 Εικόνα 6.5 Το αποτέλεσμα της αποθορυβοποίησης της εικόνας 6.1 με χρήση του wavelet db10 σε level 3 και χρησιμοποιώντας μετασχηματισμό SWT. Τα αποτελέσματα είναι εντυπωσιακά. Ο θόρυβος έχει αποκοπεί εντελώς χωρίς να έχουν επηρεαστεί χαρακτηριστικά της εικόνας..123 Εικόνα 7.1 Συνιστώσες χρώματος των pixels Εικόνα 7.2 Ο χρωματικός χώρος HSV 133 Εικόνα 7.3 Group Pixels από περιοχή κακοήθειας (carcinoma in situ). Περιστατικό ΚΑ Εικόνα 7.4 Group Pixels από περιοχή φλεγμονής. Περιστατικό ΦΑ Εικόνα 7.5 Χρωματικός κύκλος του υποχώρου H 141 Εικόνα 7.6 Εικόνα από το περιστατικό ΚΑ 1. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV

20 Εικόνα 7.7 Εικόνα από το περιστατικό ΚΑ 2. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV..142 Εικόνα 7.8 Εικόνα από το περιστατικό ΚΑ 3. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV..143 Εικόνα 7.9 Εικόνα από το περιστατικό ΦΑ 1. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV..143 Εικόνα 7.10 Εικόνα από το περιστατικό ΦΑ 2. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV..144 Εικόνα 7.11 Εικόνα από το περιστατικό ΦΑ 3. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV..144 Εικόνα 7.12 Η απεικόνιση της εικόνας 7.6 στον υποχώρο H Εικόνα 7.13 Η απεικόνιση της εικόνας 7.7 στον υποχώρο H Εικόνα 7.14 Η απεικόνιση της εικόνας 7.8 στον υποχώρο H..146 Εικόνα 7.15 Η απεικόνιση της εικόνας 7.9 στον υποχώρο H Εικόνα 7.16 Η απεικόνιση της εικόνας 7.10 στον υποχώρο H.147 Εικόνα 7.17 Η απεικόνιση της εικόνας 7.11 στον υποχώρο H.147 Εικόνα 8.1 Εικόνα από το περιστατικό ΚΑ 1 στον χώρο H. Η εντοπισμένη περιοχή της κακοήθειας παρουσιάζει έντονη ανομοιογένεια Εικόνα 8.2 Εικόνα από το περιστατικό ΦΑ 1 στον χώρο H. Η εντοπισμένη περιοχή της φλεγμονής παρουσιάζεται αρκετά ομοιογενής, σε αντίθεση με την κακοήθεια Εικόνα 8.3 α) Εικόνα με 5 διαφορετικής υφής περιοχές, b) Χάρτης ταξινόμησης της εικόνας με βάση την κατηγορία υφή, c) Τμηματοποιημένη εικόνα με βάση την υφή 153 Εικόνα 8.4 α) Μικρογραφία ημιαγωγού (Επιλεγμένη λεία επιφάνεια), β) Μικρογραφία ανθρώπινης χοληστερόλης (Επιλεγμένη τραχεία επιφάνεια), γ) Μικρογραφία μικροεπεξεργαστή (Επιλεγμένη περιοδική περιοχή) 157 Εικόνα 8.5 α) Εικόνα 4x4 με τέσσερις τιμές φωτεινότητας (επίπεδα του γκρι) από 0 έως 3 β) Γενική μορφή πίνακα συνεμφάνισης. Το #(i,j) συμβολίζει τον αριθμό των περιπτώσεων όπου βρίσκονται σε γειτονικές θέσεις φωτεινότητας τιμών i και j. γ)-ζ) Υπολογισμός των τεσσάρων πινάκων συνεμφάνισης για κατεύθυνση 0 ο, 90 ο, 135 ο και 45 ο αντίστοιχα και μοναδιαία απόσταση Εικόνα 8.6 Εικόνα με διαφορετικές υφές.164 Εικόνα 8.7 Δημιουργία εικόνων εντοπισμένης περιοχής ενδιαφέροντος

21 Εικόνα 11.1 Ένα στιγμιότυπο (frame) από το αυθεντικό βίντεο της ΑΦΒ..261 Εικόνα 11.2 Το αντίστοιχο frame στον video viewer 3 (μετασχηματισμός σε HSV)..262 Εικόνα 11.3 Το αντίστοιχο frame στον video viewer 2 (μετασχηματισμός σε H) Εικόνα 11.4 Η BW μάσκα του αντίστοιχου frame. Η κεντρική λευκή περιοχή είναι αποτέλεσμα του color classifier και χαρακτηρίζει την ύποπτή περιοχή προς ανάλυση. Οι ακριανές λευκές περιοχές απορρίπτονται για ανάλυση από τον επεξεργαστή Region Analysis 263 Εικόνα 11.5 Το αντίστοιχό frame στον video viewer 1. Το τελικό επεξεργασμένο frame. Η περιοχή που χαρακτηρίσθηκε ως κακοήθεια σημειώνεται με ένα κόκκινο πλαίσιο. Είναι ενδεικτικό πως το πλαίσιο επισημαίνει μια πιο εντοπισμένη περιοχή κακοήθειας σε σχέση με τη συνολική περιοχή που εμφανίζει μπλε χρώμα Εικόνα 11.6 Επεξεργασμένο frame Εικόνα 11.7 Επεξεργασμένο frame Εικόνα 11.8 Επεξεργασμένο frame

22 22

23 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 4.1 Εντοπισμός προνεοπλασματικών βλαβών με την κοινή βρογχοσκόπηση 82 Πίνακας 4.2 Εντοπισμός προνεοπλασματικών βλαβών με τη φθορίζουσα βρογχοσκόπηση 82 Πίνακας 4.3 Αποτελέσματα των 2 μεγαλύτερων κλινικών μελετών στον εντοπισμό προνεοπλασιών με χρήση ΑΦΒ 89 Πίνακας 6.1 Πλήθος εικόνων ΑΦΒ ανά περιστατικό Πίνακας 6.2 Σύνολο ανάλυσης περιοχών ενδιαφέροντος εικόνων ΑΦΒ και εκπαίδευσης ταξινομητών προτύπων ιστού 108 Πίνακας 6.3 Σύνολο γενίκευσης και αξιολόγησης ταξινομητών προτύπων ιστού Πίνακας 6.4 Εμπειρικοί συντελεστές κατωφλίωσης για την αποθορυβοποίηση εικόνων ΑΦΒ με χρήση wavelets (w-threshold coefficients) Πίνακας 7.1 Μετρήσεις συνιστωσών R, G και Β του χώρου RGB σε περιοχές κακοήθειας και φλεγμονής..137 Πίνακας 7.2 Μέσες τιμές συνιστωσών H, S και V του χώρου HSV σε περιοχές κακοήθειας και φλεγμονής..140 Πίνακας 8.1 Χαρακτηριστικά υφής για τις περιοχές που έχουν επιλεχθεί στη εικόνα Πίνακας 8.2 Δείγμα από τη βάση δεδομένων για τις περιοχές κακοήθειας του περιστατικού ΚΑ Πίνακας 8.3 Δείγμα από τη βάση δεδομένων για το χαρακτηριστικό Kurtosis Πίνακας 8.4 Συγκέντρωση των μετρήσεων του χαρακτηριστικού Kurtosis για τις 200 περιοχές κακοήθειας, 200 περιοχές φλεγμονής και 200 περιοχές φυσιολογικού ιστού..171 Πίνακας 9.1 Μέσες τιμές μετρήσεων στατιστικών παραμέτρων υφής 180 Πίνακας 9.2 Τυπικές αποκλίσεις μετρήσεων στατιστικών παραμέτρων υφής.181 Πίνακας 9.3 Κανονικοποιημένες (στο διάστημα [0, 100]) μέσες τιμές μετρήσεων στατιστικών παραμέτρων υφής Πίνακας 9.4 Κανονικοποιημένες (στο διάστημα [0, 100]) τυπικές αποκλίσεις μετρήσεων στατιστικών παραμέτρων υφής. 182 Πίνακας 9.5 Ανάλυση των αποτελεσμάτων της ανάλυσης υφής

24 Πίνακας 9.6 Αποτελέσματα των δοκιμασιών σημαντικότητας Student s T-Test και FDR 191 Πίνακας 9.7 Αποτελέσματα του έλεγχου κανονικότητας Kolmogorov-Smirnov Πίνακας 9.8 Αποτελέσματα της ανάλυσης των ECDF των χαρακτηριστικών υφής Πίνακας 9.9 Ποιοτική κατάταξη των στατιστικών στοιχείων υφής με βάση την ικανότητα κατηγοριοποίησης.202 Πίνακας 10.1 Δείγμα από τη βάση γνώσης του συστήματος ταξινόμησης.229 Πίνακας 10.2 Τα 20 ΝΔ που εκπαιδεύσαμε και η απόδοσή τους 236 Πίνακας 10.3 Βασικά μεγέθη απόδοσης του πολυεπίπεδου ΝΔ πρόσθιας τροφοδότησης Πίνακας 10.4 Αποτελέσματα αξιολόγησης του ταξινομητή ελάχιστης απόστασης Mahalanobis Πίνακας 10.5 Αποτελέσματα αξιολόγησης του ταξινομητή k κοντινών γειτόνων..242 Πίνακας 10.6 Αποτελέσματα αξιολόγησης του πολυεπίπεδου ΝΔ πρόσθιας τροφοδότησης..242 Πίνακας 10.7 Αποτελέσματα αξιολόγησης του πιθανοτικού ΝΔ ακτινικών συναρτήσεων βάσης.243 Πίνακας 10.8 Λανθασμένα ταξινόμημένα δείγματα Πίνακας 10.9 Σφάλματα ταξινόμησης για τις περιοχές κακοήθειας και φλεγμονής 244 Πίνακας Βασικά μεγέθη αξιολόγησης των ταξινομητών

25 Κατάλογος Σχημάτων Διαγραμμάτων Γραφημάτων Σχήμα 1.1 Διάγραμμα των κυρίων κλάδων του βρογχικού δένδρου. Η λέξη «βρόγχος» παραλείπεται για απλοποίηση και αποφυγή επανάληψης. 35 Σχήμα 3.1 Φασματικά χαρακτηριστικά κοινών ιστικών χρωμοφόρων. 73 Σχήμα 3.2 Φασματική διαφοροποίηση μεταξύ φυσιολογικού και καρκινικού ιστού (φάσματα φθορισμού). 74 Σχήμα 6.1 Δισδιάστατη wavelet αποσύνθεση της εικόνας Α Σχήμα 6.2 Ανακατασκευή της εικόνας Α 118 Σχήμα 7.1 Χρωματικός χώρος RGB Σχήμα 7.2 Χρωματικός χώρος HSV.132 Σχήμα 7.3 RGB Ιστόγραμμα για τις περιοχές κακοήθειας Σχήμα 7.4 RGB Ιστόγραμμα για τις περιοχές φλεγμονής 138 Σχήμα 8.1 Ιστογράμματα λείας επιφάνειας (a), τραχείας επιφάνειας (b), περιοδικής επιφάνειας (c) Σχήμα 8.2 Κατανομή γωνιών στην επιφάνεια της εικόνας και γωνιακές σχέσεις εικονοστοιχείων. Το κεντρικό εικονοστοιχείο (0) βρίσκεται σε γωνιακή σχέση 0 ο με τα εικονοστοιχεία 1 και 5, σε 45 ο με τα 4 και 8, σε 90 ο με τα 3 και 7 και σε γωνιακή σχέση 135 ο με τα 2 και Σχήμα 10.1 Ταξινόμηση κοντινότερου γείτονα. Το πρότυπο h ταξινομείται στην κατηγορία K2, γιατί ισχύει d2<d Σχήμα 10.2 Ταξινόμηση με k=4 κοντινούς γείτονες. Οι 3 κοντινότεροι γείτονες ανήκουν στην κατηγορία Κ2, επομένως το δείγμα h ταξινομείται σε αυτήν Σχήμα 10.3 Παράδειγμα ελαττωματικής ταξινόμησης με τη μέθοδο των κοντινότερων γειτόνων. Το δείγμα h ανήκει στην κατηγορία Κ1, σε αντίθεση με το αποτέλεσμα της ταξινόμησης κοντινότερων γειτόνων.212 Σχήμα 10.4 Ταξινόμηση με τη μέθοδο της ελάχιστης απόστασης. Το πρότυπο h ταξινομείται στην κατηγορία K1, γιατί ισχύει D2<D Σχήμα 10.5 Ελλείψεις απόστασης Mahalanobis για μια κατηγορία K

26 Σχήμα 10.6 Βασικό μοντέλο Τεχνητού Νευρώνα Σχήμα 10.7 Συνήθεις μορφές συνάρτησης ενεργοποίησης νευρώνων.217 Σχήμα 10.8 ΝΔ πρόσθιας τροφοδότησης ενός επιπέδου με πέντε νευρώνες εξόδου Σχήμα 10.9 ΝΔ πρόσθιας τροφοδότησης 2 ενδιάμεσων επιπέδων..219 Σχήμα ΝΔ ανατροφοδότησης ενός ενδιάμεσου επιπέδου..219 Σχήμα Δυνατότητα Ταξινόμησης (α) ΝΔ ενός επιπέδου, (β) ΝΔ με ένα ενδιάμεσο επίπεδο, (γ) ΝΔ με δύο ενδιάμεσα επίπεδα Σχήμα Βασική δομή ενός ΝΔ RBF.225 Σχήμα Η δομή του πιθανοτικού ΝΔ ακτινικής συνάρτησης βάσης 226 Σχήμα D Scatter διάγραμμα των στοιχείων της βάσης γνώσης - ( ) περιοχές κακοήθειας, ( ) περιοχές φλεγμονής, ( ) περιοχές φυσιολογικού ιστού.230 Σχήμα Το παραπάνω 3D Scatter διάγραμμα από άλλη άποψη Σχήμα Παράδειγμα ταξινόμησης μιας άγνωστης περιοχής h.232 Σχήμα Εκπαίδευση του ΝΔ με 20 νευρώνες στο πρώτο κρυμμένο επίπεδο και με 10 νευρώνες στο δεύτερο κρυμμένο επίπεδο Σχήμα Καμπύλη ROC του ΝΔ με 20 νευρώνες στο πρώτο κρυμμένο επίπεδο και με 10 νευρώνες στο δεύτερο κρυμμένο επίπεδο 237 Διάγραμμα 5.1 Κλινικά δεδομένα που συγκεντρώθηκαν από τη βάση δεδομένων της Μονάδας Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Σισμανόγλειου Γ.Ν.Α.. 95 Διάγραμμα 6.1 Διαλογή και ταξινόμηση κλινικών δεδομένων Διάγραμμα 6.2 Λογικό διάγραμμα του αλγόριθμου αποθορυβοποίησης με χρήση wavelets. 122 Διάγραμμα 7.1 Εργαλείο απεικόνισης των εικόνων ΑΦΒ στους χώρους HSV και H.148 Διάγραμμα 8.1 Υπολογισμός στατιστικών στοιχείων της υφής Διάγραμμα 8.2 Δημιουργία βάσης δεδομένων χαρακτηριστικών υφής των περιοχών κακοήθειας, φλεγμονής και φυσιολογικού ιστού Διάγραμμα 8.3 Λογικό διάγραμμα κατασκευής βάσης χαρακτηριστικών υφής των περιοχών κακοήθειας, φλεγμονής και φυσιολογικού ιστού. Εφαρμόζεται σε κάθε περιστατικό ξεχωριστά Διάγραμμα 11.1 Βασική δομή συστήματος υποστήριξης διάγνωσης προ-νεοπλασματικών βλαβών στον βρογχικό βλεννογόνου

27 Διάγραμμα 11.2 Λογικό διάγραμμα συστήματος ταξινόμησης περιοχών ενδιαφέροντος σε εικόνες ΑΦΒ Διάγραμμα 11.3 Σύστημα επεξεργασίας βίντεο ΑΦΒ σε πραγματικό χρόνο με στόχο την αυτόματη ανίχνευση περιοχών κακοήθειας και τον διαχωρισμό τους από ΨΘΕ..257 Γράφημα 8.1 Μετρήσεις Μέσης Τιμής φωτεινότητας (Average Gray Level).172 Γράφημα 8.2 Μετρήσεις Τυπικής Απόκλισης φωτεινότητας (Standard Deviation) 172 Γράφημα 8.3 Μετρήσεις Λοξότητας των επιπέδων φωτεινότητας (Skewness) Γράφημα 8.4 Μετρήσεις Κυρτότητας των επιπέδων φωτεινότητας (Kurtosis) Γράφημα 8.5 Μετρήσεις Ομαλότητας των επιπέδων φωτεινότητας (Smoothness).174 Γράφημα 8.6 Μετρήσεις Ομοιογένειας των επιπέδων φωτεινότητας (Uniformity) 174 Γράφημα 8.7 Μετρήσεις Εντροπίας των επιπέδων φωτεινότητας (Entropy).175 Γράφημα 9.1 Ιστόγραμμα κατανομής των μετρήσεων του χαρακτηριστικού Average Gray Level..183 Γράφημα 9.2 Ιστόγραμμα κατανομής των μετρήσεων του χαρακτηριστικού Standard Deviation 184 Γράφημα 9.3 Ιστόγραμμα κατανομής των μετρήσεων του χαρακτηριστικού Skewness.184 Γράφημα 9.4 Ιστόγραμμα κατανομής των μετρήσεων του χαρακτηριστικού Kurtosis Γράφημα 9.5 Ιστόγραμμα κατανομής των μετρήσεων του χαρακτηριστικού Smoothness.185 Γράφημα 9.6 Ιστόγραμμα κατανομής των μετρήσεων του χαρακτηριστικού Uniformity..186 Γράφημα 9.7 Ιστόγραμμα κατανομής των μετρήσεων του χαρακτηριστικού Entropy Γράφημα 9.10 ECDFs του στοιχείου Average Gray Level για τις περιοχές κακοήθειας (κόκκινο) και φλεγμονής (μπλε) 196 Γράφημα 9.11 Χαρακτηρισμός χρήσιμων μεγεθών που μπορούν να εξαχθούν από τις ECDF..197 Γράφημα 9.12 ECDF του χαρακτηριστικού Standard Deviation.199 Γράφημα 9.13 ECDF του χαρακτηριστικού Kurtosis..199 Γράφημα 9.14 ECDF του χαρακτηριστικού Smoothness 200 Γράφημα 9.15 ECDF του χαρακτηριστικού Uniformity..200 Γράφημα 9.16 ECDF του χαρακτηριστικού Entropy

28 28

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα 1.1 Στοιχεία ανατομίας αναπνευστικού συστήματος Το αναπνευστικό σύστημα (Εικόνα 1.1) εξυπηρετεί την ανταλλαγή των αερίων, που ονομάζεται αναπνοή, δηλαδή την παραλαβή του οξυγόνου από την ατμόσφαιρα και την αποβολή σ αυτήν του διοξειδίου του άνθρακα. Διακρίνεται στην άνω και στην κάτω αεροφόρο οδό. Η άνω αεροφόρος οδός αποτελείται από την έξω και έσω μύτη και από τη ρινική και στοματική μοίρα του φάρυγγα, μέχρι το φαρυγγικό στόμιο του λάρυγγα. Η κάτω αεροφόρος οδός, που ουσιαστικά αποτελεί το αναπνευστικό σύστημα, αποτελείται από το λάρυγγα, την τραχεία, τους δύο βρόγχους και τους δύο πνεύμονες [1]. Εικόνα 1.1 Ανατομία αναπνευστικού συστήματος 29

30 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Ο εισπνεόμενος αέρας εισέρχεται από τη ρινική κοιλότητα όπου ζεσταίνεται, καθαρίζεται και υγραίνεται. Η συνέχεια της ρινικής κοιλότητας είναι ο ρινοφάρυγγας που αποτελεί μέρος του φάρυγγα. Ο λάρυγγας (Εικόνα 1.2) προς τα άνω εκβάλει στο φάρυγγα, με τον οποίον έμμεσα επικοινωνεί με τη μύτη και με το στόμα, ενώ προς τα κάτω συνεχίζει στην τραχεία. Στο άνω στόμιό του βρίσκεται η επιγλωττίδα που τον φράζει όταν καταπίνουμε εμποδίζοντας τις τροφές να εισέλθουν στους πνεύμονες. Ο λάρυγγας χρησιμεύει ως αεραγωγός και ως φωνητικό όργανο. Η φωνή παράγεται κυρίως από δύο πτυχές του βλεννογόνου του λάρυγγα, τις φωνητικές χορδές, οι οποίες πάλλονται από τον εκπνεόμενο αέρα [2]. Εικόνα 1.2 Άνω αεροφόρος οδός Το κάτω μέρος του λάρυγγα συνεχίζει με την τραχεία (Εικόνα 1.3) [1]. Η τραχεία είναι ένας σωλήνας δώδεκα εκατοστών περίπου που μπαίνει στον θώρακα από το πάνω στόμιο και διχάζεται στους δύο βρόγχους, τον δεξιό και τον αριστερό. Ο σκοπός της τραχείας είναι να μεταφέρει τον αέρα μεταξύ του λάρυγγα και των πρωτευόντων βρόγχων. Οι βρόγχοι μπαίνουν στους αντίστοιχους πνεύμονες από τις πύλες τους, διακλαδίζονται ολοένα και σε μικρότερους κλάδους για να σχηματίσουν το βρογχικό δέντρο που καταλήγει στις κυψελίδες όπου γίνεται η ανταλλαγή των αερίων [2]. 30

31 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Εικόνα 1.3 Κάτω αεροφόρος οδός Οι πνεύμονες είναι μαλακά και ελαστικά όργανα, που καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της θωρακικής κοιλότητας (Εικόνα 1.4). Προστατεύονται και περιορίζονται από τα πλευρά, το διάφραγμα, καθώς επίσης και από τη σπονδυλική στήλη και άλλα όργανα ή τμήματα του ανθρώπινου σώματος. Ο αριστερός πνεύμονας είναι μικρότερος από τον δεξιό, καθώς περιορίζεται από την καρδιά [2]. Εικόνα 1.4 Πνεύμονες 31

32 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Οι πνεύμονες διαιρούνται με βαθιά σχισμή, τη μεσολόβια, σε λοβούς (Εικόνα 1.5). Ο δεξιός πνεύμονας διαιρείται σε τρεις λοβούς, τον άνω (RUL), το μέσο (RML) και το κάτω (RLL) και ο αριστερός πνεύμονας σε δύο λοβούς, τον άνω (LUL) και κάτω (LLL) [2]. Εικόνα 1.5 Λοβοί πνευμόνων Το μεγαλύτερο μέρος των ιστών των πνευμόνων αποτελεί το βρογχικό δέντρο (Εικόνα 1.6) [2]. Ο ρόλος του βρογχικού δέντρου είναι η μεταφορά αέρα ανάμεσα στα διάφορα μέρη των πνευμόνων. Στον χώρο των πνευμόνων υπάρχουν επίσης περίπου τριακόσια εκατομμύρια κυψελίδες (alveoli), καθώς και σχετιζόμενα αιμοφόρα αγγεία. Οι κυψελίδες είναι μικροί σάκοι, διαμέτρου μικρότερης του μισού χιλιοστού, οι οποίοι καταλαμβάνουν τον μεγαλύτερο όγκο των πνευμόνων και είναι συνδεδεμένοι στα άκρα των πιο μικρών βρόγχων, των αναπνευστικών βρογχιολίων (Εικόνα 1.6). Σκοπός τους, είναι η ανταλλαγή αερίων μεταξύ των του βρογχικού δέντρου και των αιμοφόρων αγγείων [2]. Εικόνα 1.6 Βρογχικό δέντρο 32

33 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Οι βρόγχοι αποτελούν τους κλάδους του βρογχικού δέντρου. Οι δύο πρωτεύοντες βρόγχοι δημιουργούνται από τη διχοτόμηση της τραχείας στον αριστερό και δεξιό πνεύμονα. Στη συνέχεια οι πρωτεύοντες βρόγχοι διαιρούνται στους δευτερεύοντες ή λοβιακούς, κάθε ένας από τους οποίους τροφοδοτεί ένα λοβό. Μέσα σε κάθε λοβό οι βρόγχοι διαιρούνται στους ονομαζόμενους τριτεύοντες ή τμηματικούς βρόγχους. Κάθε ένας από αυτούς τροφοδοτεί ένα βρογχοπνευμονικό τμήμα. Τα τμήματα αυτά αποτελούν ανατομικές και λειτουργικές υποδιαιρέσεις κάθε λοβού. Υπάρχουν δέκα βρογχοπνευμονικά τμήματα στον δεξιό πνεύμονα και οχτώ στον αριστερό (Εικόνα 1.7) [2]. Εικόνα 1.7 Βρογχοπνευμονικά τμήματα και οι βρόγχοι που τα τροφοδοτούν Σε όλο τον όγκο των πνευμόνων, ο συνδετικός ιστός δημιουργεί μικρούς λοβούς διαμέτρου περίπου 3,5 χιλιοστών, μέσα σε κάθε έναν από τους οποίους βρίσκονται οι κυψελίδες. Η τροφοδοσία των μικρών αυτών λοβών, που αριθμούνται περίπου σε σε κάθε πνεύμονα, γίνεται με τους τελευταίους και μικρότερους κλάδους του βρογχικού δέντρου, που ονομάζονται βρογχιόλια. Κάθε βρογχιόλιο έχει διάμετρο μικρότερη του χιλιοστού και τροφοδοτεί έναν μικρό λοβό. Υπάρχουν και περαιτέρω διαιρέσεις των βρογχιολίων σε τερματικά και στη συνέχεια αναπνευστικά βρογχιόλια, τα οποία τροφοδοτούν άμεσα τις κυψελίδες [2]. 33

34 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα 1.2 Ανατομία βρογχικού δέντρου Στις παρακάτω εικόνες παρουσιάζεται η φυσιολογική ανατομία του τραχειοβρογχικού δέντρου. Η εικόνα 1.8 παρουσιάζει το πλήρες τραχειοβρογχικό δέντρο παρατηρούμενο από την αρχή της τραχείας, ενώ το σχήμα 1.1 αποτελεί το βασικό διάγραμμα των κύριων κλάδων του βρογχικού δέντρου, δηλαδή των κλάδων των όποιων τα στόμια μπορούν να παρατηρηθούν με χρήση βρογχοσκοπίου [3]. Εικόνα 1.8 Το τραχειοβρογχικό δέντρο παρατηρούμενο από την αρχή της τραχείας 34

35 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Σχήμα 1.1 Διάγραμμα των κυρίων κλάδων του βρογχικού δένδρου. Η λέξη «βρόγχος» παραλείπεται για απλοποίηση και αποφυγή επανάληψης Παρακάτω περιγράφονται τα μέρη των κύριων κλάδων του βρογχικού δέντρου όπως εμφανίζονται στο παραπάνω σχήμα Τραχεία Η τραχεία είναι ένας αεραγωγός μήκους περίπου δώδεκα εκατοστών και διαμέτρου περίπου είκοσι χιλιοστών, που διατρέχει το κάτω μέρος του λαιμού και το στήθος, σε θέση ακριβώς μπροστά από τον οισοφάγο. Το μήκος και η διάμετρος της τραχείας και η γωνία διακλάδωσης των κύριων βρόγχων ποικίλει από τη βρεφική ηλικία μέχρι την ενηλικίωση. Η τραχεία ξεκινά μετά τον 35

36 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα κρικοειδή χόνδρο και καταλήγει στο διχασμό του δεξιού και αριστερού κύριου βρόγχου στην τρόπιδα (Σχήμα 1.1). Η τρόπιδα συνήθως φαίνεται σαν μια αιχμηρή δομή που μοιάζει με καρίνα πλοίου και προσανατολίζεται κατακόρυφα (κάθετα). Μπορεί να εμφανίζονται παραλλαγές και η γωνία της τρόπιδας μπορεί να ποικίλει από 45 στην κατακόρυφη (κάθετη) ή οποιαδήποτε άλλη κατεύθυνση. Η γωνία ανάμεσα στον κατακόρυφο άξονα της τραχείας και το διχασμό των κύριων βρόγχων ποικίλει από 30 έως 105. Η γωνία του δεξιού κύριου είναι συνήθως μικρότερη από τη γωνία του αριστερού κύριου βρόγχου. Η φυσιολογική διάμετρος της τραχείας ποικίλει από 1,3 2,2cm. Η διάμετρος της τραχείας είναι επίσης διαφορετική σε διαφορετικά επίπεδα και μπορεί να μεταβάλλεται με τις αναπνευστικές κινήσεις κυρίως στο μεμβρανώδες οπίσθιο τμήμα το οποίο μετακινείται προς τα μπροστά κατά τη διάρκεια της εκπνοής (Εικόνα 1.9) [4]. Εικόνα 1.9 Τραχεία 36

37 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Κύρια Τρόπιδα (καρίνα) Όπως υποδηλώνει η ονομασία, η κύρια τρόπιδα έχει σχήμα καρίνας πλοίου και προσανατολίζεται κατακόρυφα. Είναι ένα πολύ σημαντικό οδηγό σημείο και σηματοδοτεί το διχασμό της τραχείας σε δεξιό και αριστερό κύριο βρόγχο. Σε φυσιολογικές συνθήκες είναι οξύαιχμη και οι προσθιοπίσθιες διαστάσεις της αυξάνουν κατά την εκπνοή (Εικόνα 1.10). Στα βρέφη και τα παιδιά η κύρια τρόπιδα δεν είναι τόσο αιχμηρή όσο στους ενήλικες και στην πραγματικότητα είναι αμβλεία [4] Δεξιό βρογχικό δένδρο Ο δεξιός κύριος (ή στελεχιαίος) βρόγχος (Σχήμα 1.1) έχει περίπου 1,5cm μήκος και εσωτερική διάμετρο 1-1,2cm. Ο βρόγχος του δεξιού άνω λοβού (δεξιός άνω βρόγχος) είναι ο πρώτος κλάδος του δεξιού κύριου βρόγχου. Διακλαδώνεται πλάγια από τον δεξιό στελεχιαίο βρόγχο σε γωνία περίπου 100. Ο βρόγχος του δεξιού άνω λοβού μπορεί να έχει μήκος 1cm και αμέσως μετά την έκφυσή του ή πολύ κοντά διακλαδίζεται σε τρεις τμηματικούς βρόγχους (κορυφαίος, οπίσθιος και πρόσθιος άνω). Μετά την έκφυση του δεξιού άνω βρόγχου, ο δεξιός κύριος βρόγχος συνεχίζεται ως ενδιάμεσος βρόγχος. Αυτός ο βρόγχος μπορεί να εκτείνεται για 2-2,5cm μέχρις ότου τελικά καταλήξει στον δεξιό μέσο, τον κορυφαίο κάτω λοβού και τον δεξιό κατώτερο βρόγχο (Σχήμα 1.1). Ο βρόγχος του δεξιού μέσου λοβού έχει διάμετρο συνήθως 0,8cm και το μήκος του εκτείνεται από 1-1,2cm έως ότου καταλήξει σε δύο υποτμηματικούς βρόγχους. Μετά την έκφυση του κορυφαίου τμήματος του δεξιού κάτω λοβού, ο δεξιός κατώτερος βρόγχος τελειώνει με τη διαίρεσή του στους βασικούς βρόγχους (πρόσθιος, οπίσθιος, πλάγιος και έσω βασικός) (Σχήμα 1.1) [4]. 37

38 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Εικόνα 1.10 Κύριοι βρόγχοι (δεξιός και αριστερός) και κύρια τρόπιδα Αριστερό βρογχικό δένδρο Ο αριστερός κύριος βρόγχος γωνιώνεται περισσότερο με την τραχεία συγκριτικά με τον δεξιό κύριο βρόγχο (Σχήμα 1.1). Επίσης κατέρχεται βαθύτερα στον πνεύμονα πριν διαιρεθεί. Το μήκος του είναι συνήθως 4-4,5cm και τείνει να πορεύεται οπίσθια, προς τα κάτω και πλάγια. Ο αριστερός στελεχιαίος βρόγχος καταλήγει σε διχασμό στο βρόγχο του αριστερού άνω λοβού (αριστερός άνω βρόγχος) και στο βρόγχο του αριστερού κάτω λοβού (αριστερός κάτω βρόγχος) (Εικόνα 1.11). Ο βρόγχος του αριστερού άνω λοβού έχει εύρος 0,8-1cm και μήκος 1cm. Η κυρίως άνω διαίρεση του βρόγχου του αριστερού άνω λοβού διέρχεται πάνω από το στόμιο της 38

39 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα γλωσσίδας. Το μήκος της κυρίως άνω διαίρεσης ποικίλει από 1 έως μερικά mm. Απ' αυτόν συνήθως εκφύεται ένας κοινός βρόγχος για το κορυφαίο και οπίσθιο τμήμα του αριστερού άνω λοβού και ένας ανεξάρτητος βρόγχος για το πρόσθιο τμήμα του αριστερού άνω λοβού. Ο βρόγχος της γλωσσίδας του αριστερού άνω λοβού έχει μήκος περίπου 1cm πριν διαιρεθεί στους τμηματικούς βρόγχους. Ο βρόγχος του αριστερού κάτω λοβού μετά το στόμιο του βρόγχου για το κορυφαίο τμήμα του κάτω λοβού πορεύεται περίπου 1cm ακόμη πριν δώσει έκφυση στους βασικούς βρόγχους του αριστερού κάτω λοβού (πρόσθιος, οπίσθιος και πλάγιος βασικός) (Σχήμα 1.1) [4]. Εικόνα 1.11 Αριστερό βρογχικό δέντρο 39

40 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα 1.3 Καρκίνος Ο όρος "καρκίνος" υποδηλώνει το ευρύ φάσμα των κακοήθων όγκων που σχηματίζονται στο σώμα και χαρακτηρίζονται από τον ανεξέλεγκτο πολλαπλασιασμό των κυττάρων, την εισβολή τους σε άλλους ιστούς και την παραγωγή άλλων καρκινικών εστιάσεων (μεταστάσεις) σε αλλά σημεία του σώματος [5]. Ο καρκίνος γενικά αποτελεί μια πολύπλοκη και πολύχρονη διαδικασία η οποία έχει σαν αποτέλεσμα τα κύτταρα του οργανισμού να πολλαπλασιάζονται αυτόνομα και άναρχα, χωρίς κανένα σκοπό και να δημιουργούν όγκους. Τα κύτταρα αυτά τα ονομάζουμε νεοπλασματικά και τον όγκο νεόπλασμα [5]. Από καρκίνο μπορεί να προσβληθεί κάθε όργανο του ανθρώπου. Η κατανόηση του καρκίνου προϋποθέτει μία μικρή αναφορά σχετικά με το τι συμβαίνει όταν φυσιολογικά κύτταρα μετατρέπονται σε καρκινικά. Το ανθρώπινο σώμα είναι ένα καταπληκτικό και περίπλοκο σύστημα κυττάρων που αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο μέσω ενός σύνθετου χημικού συστήματος επικοινωνιών. Κάθε κύτταρο έχει μοναδικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα και καταλαμβάνει μια συγκεκριμένη θέση στο σώμα, όπου εκπληρώνει τις υποχρεώσεις του εξ ονόματος του συνόλου. Σε ένα υγιές σώμα τα κύτταρα μένουν στον ιστό του οποίου αποτελούν μέρος και ρυθμίζουν τον πολλαπλασιασμό και την απόπτωση των γειτονικών κυττάρων. Μερικές φορές, κάποια κύτταρα δεν αντιδρούν στους μηχανισμούς ελέγχου του πολλαπλασιασμού και της απόπτωσης και ακολουθούν ένα δικό τους σχεδιάγραμμα αναπαραγωγής, οπότε προκύπτουν νέα κύτταρα (χωρίς να τα χρειάζεται ο οργανισμός) και -παράλληλα- δεν πεθαίνουν τα παλιά κύτταρα. Τα πλεονάζοντα κύτταρα σχηματίζουν μάζες, που καλούνται όγκοι. Οι όγκοι μπορεί να είναι καλοήθεις ή κακοήθεις [5]. Οι καλοήθεις όγκοι δεν είναι καρκίνος. Τις περισσότερες φορές, είναι δυνατό να αφαιρεθούν χωρίς να επανεμφανιστούν. Τα κύτταρα αυτών των όγκων δεν διασπείρονται σε άλλα σημεία του σώματος (δεν χορηγούν μεταστάσεις). Σπάνια, οι καλοήθεις όγκοι μπορεί να γίνουν απειλητικοί για τη ζωή του ασθενούς [5]. Οι κακοήθεις όγκοι είναι καρκίνος. Τα κύτταρα των κακοήθων όγκων είναι ανώμαλα και διαιρούνται χωρίς να υπόκεινται σε έλεγχο. Επίσης, διηθούν και καταστρέφουν τους παρακείμενους υγιείς ιστούς. Τέλος, είναι δυνατό να αποσπαστούν από τον όγκο και να εισέλθουν στην αιματική ή στη λεμφική κυκλοφορία [5]. Το κυκλοφορικό σύστημα περιλαμβάνει τις αρτηρίες, τα τριχοειδή και τις φλέβες και εξυπηρετεί την κυκλοφορία του αίματος στον οργανισμό. Το λεμφικό σύστημα 40

41 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα εξυπηρετεί την κυκλοφορία της λέμφου μέσω των λεμφαγγείων σε όλους τους ιστούς του οργανισμού. Μέσω της κυκλοφορίας του αίματος ή της λέμφου, ο καρκίνος μπορεί να διασπαρθεί από την πρωτοπαθή θέση σε άλλα όργανα. Η διασπορά του καρκίνου καλείται μετάσταση [5]. Ο καρκίνος προκαλείται από διαταραχές των γονιδίων, που φυσιολογικά ελέγχουν τη διαίρεση και το θάνατο των κυττάρων. Διάφοροι περιβαλλοντικοί παράγοντες και παράγοντες του τρόπου ζωής μπορεί να προκαλέσουν διαταραχές των φυσιολογικών γονιδίων και μετατροπή τους σε γονίδια που επιτρέπουν την ανάπτυξη του καρκίνου. Πολλές γονιδιακές διαταραχές, που οδηγούν στην εμφάνιση καρκίνου, είναι αποτέλεσμα του καπνίσματος, του λανθασμένου διαιτολογίου, της έκθεσης στην υπεριώδη ακτινοβολία του ήλιου ή της έκθεσης σε καρκινογόνους παράγοντες στους χώρους εργασίας και στο περιβάλλον. Ορισμένες γονιδιακές διαταραχές έχουν κληρονομηθεί από τους γονείς. Ωστόσο, η παρουσία μίας κληρονομικής γονιδιακής διαταραχής δεν σημαίνει πάντα την εμφάνιση καρκίνου, αν και συσχετίζεται με αυξημένο κίνδυνο εμφάνισης της νόσου. Η έρευνα συνεχίζεται σχετικά με τους παράγοντες, που αυξάνουν ή μειώνουν τις πιθανότητες εμφάνισης καρκίνου. Στον δυτικό κόσμο, ο καρκίνος είναι η δεύτερη σημαντική αιτία θανάτου, με μόνο τους θανάτους που προέρχονται από τις καρδιακές παθήσεις να προηγούνται αυτών που συσχετίζονται με τον καρκίνο. Υπολογίζεται ότι περίπου το 23% όλων των θανάτων στις Ηνωμένες Πολιτείες μπορεί να αποδοθεί στον καρκίνο και ανάλογοι αριθμοί αναφέρονται για την Ευρώπη [5]. 1.4 Καρκίνος του πνεύμονα Επιδημιολογία Ο καρκίνος του πνεύμονα είναι ο πιο κοινός καρκίνος στον κόσμο με τα υψηλότερα ποσοστά εμφάνισης στη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη [5], [6]. Εντούτοις, τα τελευταία χρόνια, η εμφάνιση καρκίνου των πνευμόνων έχει αυξηθεί εντυπωσιακά στις αναπτυσσόμενες χώρες. Η εικόνα 1.12 παρουσιάζει τα ποσοστά θνησιμότητας για τους συχνότερους καρκίνους, στις ΗΠΑ και μερικές ευρωπαϊκές χώρες για το έτος 2001 [7]. Είναι χαρακτηριστικό ότι ο καρκίνος του πνεύμονα αποτελεί τον περισσότερο θανατηφόρο καρκίνο στους άνδρες. Ευθύνεται για το 34% περίπου των θανάτων από καρκίνο στους άνδρες και για το 23% στις γυναίκες [6]. 41

42 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Εικόνα 1.12 Ποσοστά θνησιμότητας για τους συχνότερους καρκίνους (έρευνα για το έτος 2001) Οι παγκόσμιοι χάρτες στην εικόνα 1.13 παρουσιάζουν τα παγκόσμια ποσοστά εμφάνισης και θνησιμότητας καρκίνου των πνευμόνων για τους άνδρες και τις γυναίκες [8]. Σύμφωνα με τελευταία δεδομένα για το 2006 υπολογίζεται ότι περίπου άτομα θα πεθάνουν από καρκίνο στις ΗΠΑ (δηλαδή πάνω από θάνατοι ημερησίως). Ακόμη αναμένονται για τις ΗΠΑ νέες περιπτώσεις καρκίνου του πνεύμονα ( σε άνδρες - 13% του συνόλου κακοηθειών για τους άνδρες και σε γυναίκες - 12% του συνόλου των κακοηθειών για τις γυναίκες). Αναμένονται θάνατοι από καρκίνο πνεύμονα στις ΗΠΑ για το 2006 ( σε άνδρες - 31% των θανάτων από καρκίνο και σε γυναίκες - 26% των θανάτων από καρκίνο αντίστοιχα) [9]. Για τους άντρες το ποσοστό θνησιμότητας καρκίνου του πνεύμονα στην Ευρώπη υπερβαίνει τα αντίστοιχα ποσοστά όλων των άλλων κοινών καρκίνων, συμπεριλαμβανομένου του προστατικού, παχέως εντέρου, στομαχιού, της κύστης, και του καρκίνου κεφαλιού και λαιμού, με παράγοντα περισσότερο από 2. Στις Ευρωπαίες γυναίκες, μόνο ο καρκίνος του μαστού συγκρίνεται με υψηλότερο ποσοστό θνησιμότητας. 42

43 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Εικόνα 1.13 Παγκόσμια ποσοστά εμφάνισης και θνησιμότητας καρκίνου του πνεύμονα Την πρώτη θέση στην Ευρώπη στον καρκίνο του πνεύμονα στις νέες ηλικίες κατέχει η Ελλάδα, ενώ αναμένεται περαιτέρω αύξηση της συχνότητας, λόγω της «έκρηξης» του καπνίσματος στις γυναίκες. Στην Ελλάδα, κάθε χρόνο, περισσότερα από άτομα προσβάλλονται από τον καρκίνο του πνεύμονα. Η νόσος είναι συχνότερη στις αστικές περιοχές και στις χαμηλότερες κοινωνικο-οικονομικές τάξεις. Η συχνότητα της νόσου αυξάνεται με ραγδαίο ρυθμό (3% κάθε χρόνο), λόγω κυρίως της αύξησης της καπνιστικής συνήθειας κατά τις μεταπολεμικές δεκαετίες. Άλλοι παράγοντες, που έχουν ενοχοποιηθεί για τον καρκίνο του πνεύμονα, είναι οι ιοντίζουσες ακτινοβολίες, ορισμένοι πολυκυκλικοί υδρογονάνθρακες, ο αμίαντος και διάφορα μεταλλεύματα του χρωμίου (Cr) και του νικελίου (Ni) [10] Συμπτώματα Συνήθως ο καρκίνος του πνεύμονα είναι ασυμπτωματικός (χωρίς συμπτώματα) στα αρχικά στάδια. Μερικές φορές ανακαλύπτεται τυχαία ύστερα από ιατρικό έλεγχο για άλλο λόγο. Το πιο κοινό σύμπτωμα είναι ο βήχας που εμφανίζεται, όταν ερεθίζεται ή πιέζεται κάποιος βρόγχος. Ο επίμονος θωρακικός πόνος είναι ένα σύμπτωμα που οδηγεί συχνά στη 43

44 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα διάγνωση της νόσου. Η δύσπνοια και οι συχνές αναπνευστικές λοιμώξεις, τα αιμόφυρτα πτύελα, η αιμόπτυση, η βραχνάδα της φωνής και το οίδημα του προσώπου αποτελούν ειδικά συμπτώματα του καρκίνου του πνεύμονα. Η καταβολή, η ανορεξία, η απώλεια βάρους και ο πυρετός είναι γενικά συμπτώματα όλων των νεοπλασμάτων. Δεν είναι καθόλου σπάνιο, τα πρώτα συμπτώματα του καρκίνου του πνεύμονα να προέρχονται από τις μεταστάσεις, όπως οσφυαλγία στις οστικές μεταστάσεις ή ημιπληγία, ακόμα και κώμα από τις εγκεφαλικές μεταστάσεις και άλλα [6] Διάγνωση Μια απλή ακτινογραφία θώρακος είναι συνήθως αρκετή για την αρχική διάγνωση. Η αξονική και η μαγνητική τομογραφία θώρακος δίνουν αρκετές πληροφορίες και με μεγαλύτερη ακρίβεια όσον αφορά στην ύπαρξη μεταστάσεων, την έκταση του όγκου και την πιθανή προσβολή μεγάλων αγγείων της καρδιάς και των θωρακικών τοιχωμάτων. Η βρογχοσκόπηση και η βιοψία του όγκου θέτουν την τελική κυτταρολογική διάγνωση, το βαθμό της κακοήθειας και τον τύπο του καρκίνου [6] Θεραπεία Η θεραπεία εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων του τύπου του καρκίνου (μικροκυτταρικός ή μη, και των επιμέρους ιστολογικών ομάδων), του μεγέθους της βλάβης, της εντόπισης και της γενικής κατάστασης της υγείας του ασθενούς. Διάφορες θεραπευτικές προσεγγίσεις και συνδυασμοί θεραπειών χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση της νόσου και τη βελτίωση της ποιότητας ζωής των ασθενών με περιορισμό των συμπτωμάτων [6]. Χειρουργική επέμβαση: αποσκοπεί στην εκτομή (αφαίρεση) της νόσου. Ο τύπος της επέμβασης εξαρτάται από την εντόπιση του όγκου. Εάν αφαιρείται ένα μικρό τμήμα πνευμονικού ιστού, η επέμβαση καλείται τμηματεκτομή ή σφηνοειδής εκτομή. Εάν αφαιρείται ολόκληρος λοβός, καλείται λοβεκτομή. Τέλος, πνευμονεκτομή καλείται η αφαίρεση ολόκληρου του πνεύμονα. Μερικοί όγκοι είναι ανεγχείρητοι (δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν χειρουργικά) εξαιτίας του μεγάλου μεγέθους ή της εντόπισής τους η οποία καθιστά δυσχερή τη χειρουργική προσπέλαση - αφαίρεση και κάποιοι ασθενείς δεν είναι δυνατό να υποβληθούν σε χειρουργική διαδικασία εξαιτίας άλλων συνυπαρχόντων ιατρικών προβλημάτων [11]. Χημειοθεραπεία: πραγματοποιείται με τη χορήγηση ειδικών φαρμάκων που αποσκοπούν στη θανάτωση των καρκινικών κυττάρων οπουδήποτε στον οργανισμό. Ακόμα 44

45 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα και μετά τη χειρουργική εκτομή της βλάβης, καρκινικά κύτταρα μπορεί να έχουν διαφύγει σε παρακείμενους ιστούς ή άλλες θέσεις στο σώμα. Η χημειοθεραπεία δρα θεραπευτικά αλλά και παρηγορητικά (ανακούφιση των συμπτωμάτων). Τα περισσότερα αντικαρκινικά φάρμακα χορηγούνται ενδοφλέβια ή με τη χρήση ειδικών καθετήρων. Μερικά αντικαρκινικά φάρμακα χορηγούνται από το στόμα [11]. Ακτινοθεραπεία: περιλαμβάνει τη χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας για τη θανάτωση των καρκινικών κυττάρων. Ακτινοβολείται μία συγκεκριμένη ανατομική περιοχή, οπότε θανατώνονται τα καρκινικά κύτταρα σε αυτή την περιοχή. Η ακτινοθεραπεία μπορεί να εφαρμοστεί πριν από τη χειρουργική επέμβαση για τη μείωση του μεγέθους του όγκου ή μετά τη χειρουργική εκτομή ώστε να θανατωθούν τα καρκινικά κύτταρα που παρέμειναν στην περιοχή. Επίσης, εφαρμόζεται, συχνά σε συνδυασμό με χημειοθεραπεία, ως αρχική θεραπεία αντί της χειρουργικής. Η ακτινοθεραπεία μπορεί ακόμα να εφαρμοστεί για την ανακούφιση των συμπτωμάτων. Η πηγή της ακτινοβολίας μπορεί να είναι εξωτερική (π.χ. μονάδες κοβαλτίου, γραμμικός επιταχυντής), οπότε ονομάζεται τηλεθεραπεία, ή εσωτερική μετά από εισαγωγή ραδιενεργών πηγών στο σώμα του ασθενούς κοντά στην περιοχή του όγκου (βραχυθεραπεία). Συνήθως, για τον καρκίνο του πνεύμονα εφαρμόζεται η εξωτερική ακτινοθεραπεία [11]. Φωτοδυναμική θεραπεία: αποτελεί μορφή θεραπείας κατά την οποία εγχύεται στην κυκλοφορία ειδική ουσία, που απορροφάται από τα κύτταρα σε όλο το σώμα. Η ουσία αποβάλλεται γρήγορα από τα φυσιολογικά κύτταρα, αλλά παραμένει στα καρκινικά κύτταρα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Μία πηγή ακτινοβολίας στοχεύει τον καρκίνο και ενεργοποιεί τη χημική ουσία, η οποία στη συνέχεια θανατώνει τα καρκινικά κύτταρα που την έχουν απορροφήσει. Φωτοδυναμική θεραπεία μπορεί επίσης να εφαρμοστεί για την ανακούφιση από τα συμπτώματα της νόσου. Σε ιδιαίτερα μικρού μεγέθους βλάβες, η φωτοδυναμική θεραπεία θεωρείται η πλέον κατάλληλη [11] Καρκινογένεση Η καρκινογένεση θεωρείται ότι είναι αποτέλεσμα μιας μακρόχρονης διαδικασίας πολλών σταδίων κατά τη διάρκεια της οποίας η επίδραση καρκινογόνων και προαγωγέων, οδηγεί σε κλιμακούμενες λειτουργικές και μορφολογικές διαταραχές των κυττάρων [9], [12]. Σύμφωνα με τις τρέχουσες απόψεις, οι παράγοντες αυτοί επιδρούν σε γονίδια που είναι υπεύθυνα για τη ρύθμιση του κυτταρικού πολλαπλασιασμού και της διαφοροποίησης, του κυτταρικού κύκλου, της επιδιόρθωσης επίκτητων γενετικών βλαβών, της αγωγής 45

46 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα τροφικών ερεθισμάτων και του κυτταρικού θανάτου, τα οποία υφίστανται διαδοχικά μεταλλάξεις, που συσσωρευόμενες σε μία πορεία ετών εκτρέπουν τα κύτταρα σε ανώμαλη συμπεριφορά και μορφολογία [12]. Οι μορφολογικές αλλοιώσεις του βρογχικού βλεννογόνου που αντιστοιχούν στα προ-νεοπλασματικά στάδια του βρογχογενούς καρκίνου αναθεωρήθηκαν από την Παγκόσμια Οργάνωση Υγείας (World Health Organisation - WHO) και τη διεθνή ένωση για τη μελέτη του καρκίνου των πνευμόνων (International Association for the Study of Lung Cancer - IASLC) στην WHO/IASLC ιστολογική ταξινόμηση των πνευμονικών και πλευρικών όγκων το 1999 [13], [14]. Τα στάδια της καρκινογένεσης στο επιθήλιο ορίζονται ως εξής (Εικόνα 1.14) [9]: 1. αντιδραστικές αλλαγές (υπερπλασία-μεταπλασία), 2. χαμηλού βαθμού δυσπλασία LGD (ήπια και μέτρια δυσπλασία), 3. υψηλού βαθμού δυσπλασία HGD (Carcinoma in situ), 4. καρκίνωμα, και 5. επιθετικό-διηθητικό (invasive) καρκίνωμα. Παρακάτω περιγράφεται σταδιακά η διαδικασία καρκινογένεσης στο επιθήλιο, η οποία ξεκινά από ένα μοναδικό μεταλλαγμένο κύτταρο το οποίο μετατρέπεται σε υπερπλασία και δυσπλασία και καταλήγει σε καρκίνωμα και τελικά σε επιθετικό καρκίνο. Στην εικόνα 1.14 [15] απεικονίζονται οι αλλαγές που εμφανίζονται στο επιθήλιο κατά τη δημιουργία καρκινογένεσης, από την εμφάνιση του πρώτου μεταλλαγμένου κυττάρου έως το κακοήθη επιθετικό καρκίνο. Εικόνα 1.14 Σχηματική περιγραφή της καρκινογένεσης σε επιθήλιο 46

47 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα Η ανάπτυξη του καρκίνου αρχίζει όταν εμφανίζονται γενετικές μεταλλαγές σε ένα κύτταρο (πορτοκαλί) εντός του φυσιολογικού πληθυσμού (1). Το μεταλλαγμένο κύτταρο και τα γειτονικά του φαίνονται ακόμα κανονικά, αλλά παρουσιάζουν υπερβολικό ποσοστό αναπαραγωγής που οδηγεί στην υπερπλασία (Hyperplasia) (2). Μετά από κάποιο χρόνο, ένα από αυτά τα κύτταρα (ροζ) πιθανώς υφίσταται μια άλλη γενετική μεταλλαγή που αλλάζει περαιτέρω τον πολλαπλασιασμό και την αύξηση των κυττάρων. Οι απόγονοι του ροζ κυττάρου παρουσιάζουν ανωμαλίες στη μορφή και τον προσανατολισμό καθώς και αυξανόμενο ποσοστό πολλαπλασιασμού, με αποτέλεσμα να δημιουργείται δυσπλασία (Dysplasia) (3). Περαιτέρω μεταλλαγή ίσως να εμφανιστεί σε μερικά από τα δυσπλαστικά κύτταρα (μωβ) Τα μεταλλαγμένα (μωβ) κύτταρα πολλαπλασιάζονται και γίνονται πιο ανώμαλα στη μορφή και στην ανάπτυξή τους με αποτέλεσμα να διαταράσσεται η δομή του επιθηλίου. Όσο η βλάβη αυτή εντοπίζεται ενδοεπιθηλιακά και δεν έχει διηθήσει σε εσωτερικά στρώματα (παραδείγματος χάριν στη βασική μεμβράνη), καλείται καρκίνωμα in situ (CIS) (4). Το CIS μπορεί να παραμείνει στη συγκεκριμένη κατάσταση για χρόνια και ίσως ποτέ να μην αναπτυχθεί περαιτέρω. Εντούτοις, ορισμένα ανώμαλα κύτταρα μπορεί να αποκτήσουν πρόσθετες μεταλλαγές (γαλάζια κύτταρα), οι οποίες να τους επιτρέψουν να διαπεράσουν τα σύνορα του επιθηλίου και να εισβάλουν στον εσωτερικό ιστό (επιθετικό καρκίνωμα). Από αυτή τη στιγμή τα καρκινικά κύτταρα μπορούν να εισαχθούν στο αίμα και στο λεμφικό σύστημα. Αυτό επιτρέπει στα καρκινικά κύτταρα να καθιερώσουν νέες εστίες (μετάσταση) σε όλο το σώμα. Η μάζα των καρκινικών κυττάρων θεωρείται τώρα κακοήθης επιθετικός καρκίνος (Invasive Cancer) (5) [15] Τύποι και στάδια καρκίνου του πνεύμονα Οι κακοήθεις και καλοήθεις όγκοι στον πνεύμονα μπορούν να αναπτυχθούν από όλους τους ιστούς του πνεύμονα. Εντούτοις, το βρογχικό καρκίνωμα (βρογχογενής καρκίνος) αντιπροσωπεύει περίπου το 90%-95% όλων των κακοήθων όγκων των πνευμόνων. Περίπου 60%-70% αυτών των βλαβών βρίσκονται κεντρικά, δηλαδή είναι προσιτές από βρογχοσκοπικές μεθόδους, και μόνο το 20%-30% είναι απομακρυσμένο. Οι κεντρικές βρογχικές βλάβες εμφανίζονται: 25,6% στον πάνω δεξιό λοβό (RUL), 13,3% στον κεντρικό δεξιό λοβό (RML), 15,4% στον κάτω δεξιό λοβό (RLL), 30% στον αριστερό πάνω λοβό (LUL), και 15,7% στον αριστερό κάτω λοβό (LLL) [13]. Ο καρκίνος τον πνεύμονα χωρίζεται σε δύο μεγάλες ομάδες: μικροκυτταρικού τύπου και μη μικροκυτταρικού τύπου, που έχουν διαφορετική ανάπτυξη, εξάπλωση, εξέλιξη και 47

48 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα θεραπεία [16]. Ο μικροκυτταρικός τύπος καρκίνου του πνεύμονα έχει άμεση σχέση με το κάπνισμα, αναπτύσσεται και διασπείρεται ταχέως και για τον λόγο αυτό θεωρείται ότι δεν αντιμετωπίζεται με επέμβαση. Θεωρητικά έχει κάνει μεταστάσεις την ώρα της διάγνωσης ακόμα και αν ο εργαστηριακός έλεγχος δεν έχει διαπιστώσει κάποια μετάσταση [6]. Ο μικροκυτταρικός καρκίνος του πνεύμονα ταξινομείται ως περιορισμένη (limited disease) ή ως εκτεταμένη νόσος (extensive disease). Στο περιορισμένο στάδιο (που αποτελεί το 30% του συνόλου), ο καρκίνος εντοπίζεται μόνο στον έναν πνεύμονα, στους παρακείμενους ιστούς με ή χωρίς προσβολή των γειτονικών λεμφαδένων (μεσοθωρακικών, υπερκλείδιων) και σύστοιχη πλευριτική συλλογή. Στο εκτεταμένο στάδιο, ο καρκίνος έχει εξαπλωθεί εκτός του πνεύμονα σε άλλα μέρη του σώματος. Ο τύπος αυτός ανταποκρίνεται πολύ καλά στη χημειοθεραπεία και την ακτινοθεραπεία [16]. Ο μη μικροκυτταρικός τύπος καρκίνου πνεύμονα διαιρείται σε τρεις υποομάδες: τον πλακώδη, το αδενοκαρκίνωμα και το μεγαλοκυτταρικό τύπο. Το αδενοκαρκίνωμα είναι το μοναδικό που δεν έχει άμεση σχέση με το κάπνισμα. Ο μη μικροκυτταρικού τύπου καρκίνος του πνεύμονα εξαπλώνεται τοπικά και αργεί να δώσει απομακρυσμένες μεταστάσεις. Η χειρουργική θεραπεία παίζει σημαντικό ρόλο στην πλήρη θεραπεία. Όταν η νόσος βρίσκεται σε προχωρημένα στάδια, η αντιμετώπισή της περιλαμβάνει χημειοθεραπεία και ακτινοβολία [6]. 48

49 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα 1.5 Βιβλιογραφία [1] Φ. Παπασιδέρης, Το Ανθρώπινο Σώμα Στοιχεία Ανατομίας και Φυσιολογίας, [2] Σ. Λαζαρίδης, Βασικές Αρχές Ανατομίας, Εκδόσεις ΕΛΛΗΝ, Αθήνα, 2000 [3] P. Stradling, Διαγνωστική Βρογχοσκόπηση, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα, 1997 [4] Ν. Τζανάκης, Ε. Μιχαηλίδου, Ανατομία του βρογχικού δέντρου, Επεμβατική Πνευμονολογία, Εκδόσεις της Ελληνικής Πνευμονολογικής Εταιρίας, σελ , Αθήνα 2001 [5] Δικτυακός τόπος Ινστιτούτου Γ.Ν. Παπανικολάου, [6] Ι. Μπανκουσλί, Καρκίνος του πνεύμονα, [7] International Agency for Research on Cancer, WHO Database, [8] International Agency for Research on Cancer, GLOBOCAN 2002, [9] Γ. Σταθόπουλος, Καρκίνος Πνεύμονα. Επιδημιολογία, αιτιολογία, παθογένεση, Μεταπτυχιακά Σεμινάρια Πνευμονολογίας , [10] Ν. Σιαφάκας, Πρωταθλητές Ευρώπης στον καρκίνο του πνεύμονα, Εφημερίδα ΤΑ ΝΕΑ, σελ , 6 Σεπ [11] [12] Ι. Καλομενίδης, Δ. Ορφανίδου, Γ. Παπαμιχάλης, Α. Σκορίλας, Α. Βίσκος, Α. Ρασιδάκης, Η. Παπασταματίου, Ι. Ιορδάνογλου, Έκφραση των πρωτεϊνών p53 και p21 κατά την καρκινογένεση στο βρογχικό επιθήλιο, Πνεύμων, Τόμος 12, Τεύχος 2, Αύγουστος 1999 [13] Ι. Γκιόζος, Σταδιοποίηση και φυσική ιστορία καρκίνου πνεύμονα, Μεταπτυχιακά Σεμινάρια Πνευμονολογίας , [14] E. Brambilla, W. D. Travis, T. V. Colby, B. Corrin, Y. Shimosato, The new World Health Organization classification of lung tumours, European Respiratory Journal, vol.18, pp ,

50 Κεφάλαιο 1 Ανατομία Αναπνευστικού Συστήματος και Καρκίνος του Πνεύμονα [15] R. A. Weinberg, How Cancer Arises, Scientific American, pp , September 1996 [16] 50

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Βρογχοσκόπηση 2.1 Εισαγωγή Βρογχοσκόπηση ονομάζεται ο έλεγχος των αεροφόρων οδών του αναπνευστικού συστήματος με ειδικό όργανο ενδοσκόπησης που λέγεται βρογχοσκόπιο. Είναι ασφαλής μέθοδος (κίνδυνος επιπλοκών <2%) και γίνεται με τοπική αναισθησία χρησιμοποιώντας ξυλοκαΐνη. H βρογχοσκόπηση μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με άκαμπτο είτε με εύκαμπτο βρογχοσκόπιο (ινοβρογχοσκόπιο), παρουσιάζοντας η κάθε μία πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα [1]. Το εύκαμπτο βρογχοσκόπιο επέφερε μεγάλη επανάσταση στην πνευμονολογία. Πριν από την εισαγωγή του στην κλινική πράξη το 1967, πολύ λίγοι πνευμονολόγοι έκαναν μόνοι τους βρογχοσκοπήσεις. Η βρογχοσκόπηση με το άκαμπτο όργανο συνήθως συνίσταται σαν χειρουργική προσπέλαση. Πάντως τα αξιοσημείωτα χαμηλά συμβάντα επιπλοκών που συνδέονται με το ινοβρογχοσκόπιο, η εύκολη χρήση του υπό τοπική αναισθησία, το λιγότερο προσωπικό που απαιτείται κατά την εξέταση και το χαμηλό κόστος έχουν όλα μαζί επικυρώσει την παγκόσμια καταξίωσή του από τους πνευμονολόγους. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα που έχει το ινοβρογχοσκόπιο είναι η δυνατότητα επισκόπησης και λήψης δειγμάτων (βιοψιών) βρογχικής ιστοπαθολογίας και κυτταρολογίας πολύ περισσότερο περιφερικά απ' ό,τι είναι δυνατό με τη χρήση άκαμπτου βρογχοσκοπίου. Επιπροσθέτως, σχεδόν όλες οι ενδοβρογχικές προσπελάσεις μπορούν να εκτελεστούν με το ινοβρογχοσκόπιο. Πάντως, μερικές φορές είναι περισσότερο ασφαλές και κατάλληλο να χρησιμοποιηθεί το ευθύ βρογχοσκόπιο, εξαιτίας ορισμένων μειονεκτημάτων που υπάρχουν στο ινοβρογχοσκόπιο. Το ινοβρογχοσκόπιο μπορεί να εισαχθεί με πολλούς τρόπους: από τη μύτη, το στόμα, με ενδοτραχειακούς σωλήνες ή σωλήνες τραχειοστομίας ή μέσω του ευθέως βρογχοσκοπίου [1]. 51

52 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση 2.2 Ιστορική αναδρομή O Gustav Killian θεωρείται ο "πατέρας" της βρογχοσκόπησης. Το 1897 ο Killian έκανε την πρώτη βρογχοσκόπηση για να αφαιρέσει ένα ξένο σώμα που ήταν ένα τμήμα οστού χοιρινού κρέατος, το οποίο είχε σφηνωθεί στον δεξιό στελεχιαίο βρόγχο ενός 63χρονου αγρότη από το Μέλανα Δρυμό της Γερμανίας. Η πρώτη αυτή θεραπευτική βρογχοσκόπηση έγινε στο Freiburg της Γερμανίας. Αυτό επιτεύχθηκε με την εφαρμογή ενός μεταλλικού σωλήνα, ο οποίος χρησίμευσε για βρογχοσκόπιο, υπό τοπική αναισθησία. Μέσω αυτού του σωλήνα εισήγαγε μια πρόχειρη λαβίδα, την οποία έφτιαξε για τη σύλληψη και αφαίρεση του ξένου σώματος, ενώ ο φωτισμός ήταν αρκετά πρόχειρος. Μετά τον Killian, o Chevalier-Jackson στη Φιλαδέλφεια, στις αρχές του 20ού αιώνα, κατασκεύασε το άκαμπτο βρογχοσκόπιο, ανάγοντας τη βρογχοσκόπηση σε ιατρική υποειδικότητα. Ο Jackson εκπαίδευσε στη βρογχοσκόπηση ιατρούς από όλο τον κόσμο, και αρκετά άτομα, ιδίως παιδιά, σώθηκαν από ξένα ενδοβρογχικά σώματα. Η ανάπτυξη ακολούθως του συστήματος τηλεσκοπίων Hopkins και η εφαρμογή τους μέσω του αυλού του άκαμπτου βρογχοσκοπίου, βελτίωσε σημαντικά την οπτική εικόνα και τις διαγνωστικές δυνατότητες της βρογχοσκόπησης με το άκαμπτο βρογχοσκόπιο. Αρχικά η βρογχοσκόπηση γινόταν για την αφαίρεση ξένων σωμάτων από ωτορινολαρυγγολόγους και χειρουργούς. Μετά το 1930 άρχισαν οι πνευμονολόγοι να εκπαιδεύονται στη βρογχοσκόπηση, έτσι ώστε από το 1950 θεωρείται πλέον ως ειδικότητα της πνευμονολογίας. Η χρήση μόνο του άκαμπτου βρογχοσκοπίου συνεχίστηκε περίπου μέχρι το Το 1964 ο Ikeda [2] κατασκεύασε εύκαμπτο βρογχοσκόπιο, το οποίο άρχισε να διατίθεται στην αγορά από το 1967 και να χρησιμοποιείται κυρίως μετά το Όπως φαίνεται από την ιστορική αναδρομή της εφαρμογής και ανάπτυξης της βρογχοσκόπησης, αυτή ξεκίνησε ως θεραπευτική μέθοδος, δηλαδή για την αφαίρεση ξένων σωμάτων από το τραχειοβρογχικό δένδρο. Σήμερα, η διαγνωστική συμβολή της βρογχοσκόπησης στα νοσήματα των πνευμόνων, θεωρείται σημαντική [3]. 52

53 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση 2.3 Συστήματα βρογχοσκόπησης - Βρογχοσκόπια Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, τα πρώτα βρογχοσκόπια που χρησιμοποιήθηκαν στην πράξη ήταν άκαμπτα βρογχοσκόπια. Το άκαμπτο βρογχοσκόπιο [3] είναι ένας ευθύς και κούφιος μεταλλικός σωλήνας (Εικόνα 2.1). Χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα για ορισμένες ειδικές περιπτώσεις, όπως: όταν υπάρχει αιμορραγία στον αναπνευστικό σωλήνα του ασθενούς και έτσι δεν υπάρχει καλή ορατότητα για να αφαιρεθούν μεγάλα δείγματα ιστών για βιοψία για να καθαριστεί η αναπνευστική οδός του ασθενούς από διάφορα ξένα σώματα (πχ. τροφές) για να αφαιρεθεί όγκος με τη βοήθεια ενσωματωμένου laser Εικόνα 2.1 Βρογχοσκόπηση με άκαμπτο βρογχοσκόπιο Χρειάζεται να γίνει ολική αναισθησία για τη χρησιμοποίησή του. Αν και η πολλαπλή χρησιμότητα του εύκαμπτου βρογχοσκοπίου έχει αντικαταστήσει το άκαμπτο σε πολλές περιπτώσεις, το άκαμπτο βρογχοσκόπιο διατηρεί τη θέση του σε ορισμένες επεμβατικές πνευμονολογικές τεχνικές. Το ινοβρογχοσκόπιο (Εικόνα 2.2) [4] μοιάζει με εύκαμπτο λεπτό σωλήνα και χρησιμοποιεί οπτικές ίνες για να μεταφέρει φως στο εσωτερικό των αεροφόρων οδών. Τα εύκαμπτα βρογχοσκόπια και η χρήση τους συνεχώς βελτιώνονται με τα χρόνια. Η ικανότητα κάμψης του απομακρυσμένου άκρου του ινοβρογχοσκοπίου έχει αυξηθεί, 53

54 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση επιτρέποντας έτσι στο βρογχοσκόπο εύκολα να εισάγει το όργανο σε όλους σχεδόν τους τμηματικούς βρόγχους. Αν και τα αρχικά όργανα δεν είχαν κανάλι βιοψίας, το βρογχοσκόπιο αργότερα τροποποιήθηκε σημαντικά και τα τελευταία μοντέλα έχουν ένα επιπρόσθετο κανάλι βιοψίας και ένα περισσότερο εύκαμπτο άκρο. Μεγαλύτερα κανάλια εργασίας και καλύτερα βοηθητικά όργανα επιτρέπουν στους βρογχοσκόπους τη λήψη μεγαλύτερων βιοψιών και καλύτερης ποιότητας δειγμάτων, αυξάνοντας με αυτόν τον τρόπο το διαγνωστικό εύρος. Πρόοδοι σε αυτούς τους τομείς συνεχίζονται και οδηγούν σε περαιτέρω βελτίωση του εύκαμπτου βρογχοσκοπίου. Ένα τυπικό, τελευταίας γενιάς, ινοβρογχοσκόπιο έχει εξωτερική διάμετρο 5 έως 6,3mm, αποτελεσματικό μήκος 600mm και είναι σχεδιασμένο να επιτρέπει άμεση παρατήρηση αντικειμένων μεγέθους 3 με 50mm σε ένα εύρος 120 μοιρών [5]. Εικόνα 2.2 Βρογχοσκόπηση με εύκαμπτο βρογχοσκόπιο Με την πρόοδο στη videochip τεχνολογία, η βίντεο-βρογχοσκόπηση [4], [5] χρησιμοποιείται ευρέως, συνεισφέροντας σημαντικά στην εκπαίδευση και καταγραφή των ενδοσκοπικών εικόνων. Τα νέα βίντεο-ινοβρογχοσκόπια (Εικόνα 2.3) [4], [5] έχουν μία συσκευή που επιτρέπει πολύ καλύτερη ανάλυση της βρογχοσκοπικής εικόνας χωρίς την ανάμειξη του δικτύου των ινών του συμβατικού εύκαμπτου βρογχοσκοπίου. Η απεικονιστική συσκευή, η οποία στην ουσία είναι μία μικροσκοπική τηλεοπτική κάμερα, ενσωματώνεται στο άκρο του εύκαμπτου βρογχοσκοπίου (Εικόνα 2.4). Η εικόνα διαβιβάζεται σε επεξεργαστή βίντεο και εμφανίζεται σε οθόνη τηλεόρασης. Κλινικές μελέτες που χρησιμοποιούν το βίντεο-βρογχοσκόπιο έχουν δείξει ότι η ποιότητα της εικόνας είναι πολύ ανώτερη αφού επιτρέπει την περισσότερο ακριβή και λεπτομερή 54

55 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση εκτίμηση της επιφάνειας του βλεννογόνου, του αγγειακού δικτύου του τραχειοβρογχικού βλεννογόνου, των πτυχών του βλεννογόνου και των όγκων. Κανάλι βιοψίας Σύνδεση με την πηγή φωτός και τον επεξεργαστή video Χειριστήριο βρογχοσκοπίου Άκρο βρογχοσκοπίου Εικόνα 2.3 Εύκαμπτο Βίντεο-Βρογχοσκόπιο τελευταίας γενιάς 55

56 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση Εικόνα 2.4 Άκρο ενός βίντεο-βρογχοσκοπίου. Διακρίνεται η CCD κάμερα (objective lens), το κανάλι αναρρόφησης (suction channel), το κανάλι βιοψίας (instrument channel) και οι οπτικές ίνες που μεταφέρουν το φως (light guide) Για την πραγματοποίηση βίντεο-βρογχοσκόπησης, πέρα από το βίντεοινοβρογχοσκόπιο που αποτελεί το βασικό όργανο της εξέτασης, απαιτούνται και άλλα εξαρτήματα όπως η πηγή φωτός, ο επεξεργαστής βίντεο και η οθόνη. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας των υπολογιστών τα τελευταία χρόνια είχε ως αποτέλεσμα την προσθήκη νέων επιβοηθητικών εξαρτημάτων στους σταθμούς εργασίας βρογχοσκόπησης, δημιουργώντας έτσι ολοκληρωμένα συστήματα βίντεοβρογχοσκόπησης (Εικόνα 2.5) [6]. Ένα ολοκληρωμένο συστήματα βίντεο-βρογχοσκόπησης αποτελείται από: 1. Το βίντεο-ινοβρογχοσκόπιο 2. Την πηγή φωτός που τροφοδοτεί με φως ή laser το βρογχοσκόπιο 3. Τον επεξεργαστή βίντεο που λαμβάνει την εικόνα από το βρογχοσκόπιο και αναλαμβάνει να τη διανείμει σε εξωτερικές συσκευές επισκόπησης και καταγραφής 4. Οθόνη στην οποία απεικονίζεται η εικόνα του βρογχοσκοπίου 5. Εκτυπωτή για την άμεση εκτύπωση βρογχοσκοπικών εικόνων 6. Υπολογιστή ο οποίος λαμβάνει εικόνα από τον επεξεργαστή βίντεο και χρησιμοποιείται για την καταγραφή βρογχοσκοπικών εικόνων και βίντεο, και την ανάλυση αυτών 56

57 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση Οθόνη Βρογχοσκόπησης Υπολογιστής Επεξεργαστής βίντεο Πηγή φωτός Εκτυπωτής Εικόνα 2.5 Ολοκληρωμένο σύστημα βίντεο-βρογχοσκόπησης Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται ο σύγχρονος τρόπος διεξαγωγής της εξέτασης της βρογχοσκόπησης, χρησιμοποιώντας σύστημα βίντεο-βρογχοσκόπησης. Εικόνα 2.6 Βρογχοσκόπηση με βίντεο-ινοβρογχοσκόπιο 57

58 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση 2.4 Διαγνωστική και θεραπευτική βρογχοσκόπηση Η εισαγωγή του ινοβρογχοσκοπίου από τον Ikeda [2] στην ινοβρογχοσκόπηση, αύξησε σημαντικά τις δυνατότητές της. Σήμερα τα ινοβρογχοσκόπια χρησιμεύουν σε όλο και περισσότερες κλινικές περιπτώσεις. Οι ενδείξεις για βρογχοσκόπηση μπορούν να χωριστούν σε διαγνωστικές και θεραπευτικές. Συχνά όμως συμβαίνει σε αρκετούς ασθενείς να γίνεται συγχρόνως διαγνωστική και θεραπευτική βρογχοσκόπηση. Οι ενδείξεις για διαγνωστικούς λόγους είναι πολλές [7]: 1. Παθολογική ακτινογραφία θώρακος 2. Βήχας - αιμόπτυση 3. Παράλυση ημιδιαφράγματος 4. Παράλυση φωνητικών χορδών 5. Επίμονος πνευμοθώρακας 6. Πλευριτική συλλογή 7. Σύνδρομο άνω κοίλης 8. Ύποπτη ή θετική κυτταρολογική πτυέλων 9. Έλεγχος ενδοτραχειακού σωλήνα 10. Σταδιοποίηση - παρακολούθηση πνευμονικού καρκίνου 11. Πνευμονικές λοιμώξεις 12. Θωρακικό τραύμα 13. Εισπνοή τοξικών αερίων - εισρόφηση γαστρικού περιεχομένου 14. Βρογχογραφία - Lavage 15. Εντοπισμός ξένων σωμάτων 16. Πνευμονικό απόστημα Η συλλογή βρογχοσκοπικού υλικού κατά τη διάρκεια της ινοβρογχοσκόπησης, αποτελεί την πλέον σημαντική διεργασία στη διαγνωστική προσπέλαση παθήσεων του αναπνευστικού συστήματος, στις οποίες η χρήση του ινοβρογχοσκοπίου θεωρείται απαραίτητη [8]. 58

59 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση Διάφορα είδη δειγμάτων δύναται να ληφθούν κατά τη βρογχοσκόπηση [8]: 1. Βρογχικές εκκρίσεις (bronchial washings) 2. Βρογχικά ξέσματα (bronchial brushings) 3. Ενδοβρογχική βιοψία (endobronchial biopsy) 4. Βρογχοσκοπική αναρρόφηση υλικού και βιοψία δια βελόνης (bronchoscopic needle aspirates and biopsies) 5. Διαβρογχική βιοψία πνεύμονα (transbronchial lung biopsy) 6. Βρογχοκυψελιδική έκπλυση (bronchoalveolar lavage). Οι βρογχικές εκκρίσεις συλλέγονται αφότου γίνει έγχυση φυσιολογικού ορού 0,9% δια μέσου του βρογχοσκοπίου, σε μια αποστειρωμένη παγίδα, αναρροφώντας το υλικό. Οι βρογχικές εκκρίσεις συλλέγονται συνεχώς κατά τη διάρκεια της βρογχοσκόπησης και για τον λόγο αυτό είναι «αποικισμένες» με εκκρίσεις από όλους τους εξεταζόμενους λοβούς, καθώς επίσης και από τη στοματική κοιλότητα και την ανώτερη αναπνευστική οδό (Εικόνα 2.7). Η συλλογή των βρογχικών εκκρίσεων χρησιμεύει κυρίως στη διάγνωση του καρκίνου του πνεύμονα και μερικών πνευμονικών λοιμώξεων. Εικόνα 2.7 Λήψη βρογχικών εκκρίσεων Όπως και οι βρογχικές εκκρίσεις έτσι και τα βρογχικά ξέσματα χρησιμεύουν στη διάγνωση ασθενών με υποψία καρκίνου πνεύμονα ή πνευμονικών λοιμώξεων. Το υλικό το οποίο συλλέγεται με τη χρήση ειδικών βουρτσών (ψηκτρών) (Εικόνα 2.8), λαμβάνεται τόσο από ορατές ενδοβρογχικές βλάβες του βλεννογόνου, όσο και από απομακρυσμένες μη ορατές βλάβες, οι οποίες βρίσκονται σε περιφερικούς βρόγχους. 59

60 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση Εικόνα 2.8 Ψήκτρες διαφόρων μεγεθών και τύπων Η λήψη της ενδοβρογχικής βιοψίας αποτελεί τον πλέον σημαντικό χειρισμό κατά τη διάρκεια της βρογχοσκόπησης. Ο βρογχοσκόπος πρέπει να είναι προσεκτικός και έμπειρος, τόσο κατά τη διενέργεια των χειρισμών προς πραγματοποίηση της βιοψίας, όσο και στο να εντοπίζει το σημείο εκείνο, από το οποίο θα ληφθεί το βιοπτικό δείγμα. Το βιοπτικό υλικό λαμβάνεται με τη χρήση διαφόρων τύπων λαβίδων (Εικόνα 2.9), οι οποίες διέρχονται δια μέσου του ειδικού καναλιού βιοψιών του βρογχοσκοπίου. Εικόνα 2.9 Λαβίδες ενδοβρογχικής βιοψίας διαφόρων τύπων 60

61 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση Η διαβρογχική παρακέντηση με βελόνη (Transbronchial Needle Aspiration - ΤΒΝΑ) αποτελεί τεχνική ιδιαίτερα χρήσιμη για την ακριβή διάγνωση πνευμονικών βλαβών και τη σταδιοποίηση του καρκίνου του πνεύμονα. Υπό ακτινοσκοπική καθοδήγηση οδηγείται η βελόνη λήψης δια μέσου του βρογχοσκοπίου στη βλάβη από όπου με αναρρόφηση (αρνητική πίεση με σύριγγα 20ml) λαμβάνεται κυτταρολογικό υλικό. Τα συνήθη υλικά που λαμβάνουμε με τη βρογχοσκόπηση (βρογχικό έκπλυμα, BAL, ψήκτρα και διαβρογχική βιοψία) παρουσιάζουν διαγνωστική αξία μεταξύ 43 και 78% ανάλογα με το μέγεθος της βλάβης και την αιτιολογία της. Έτσι, όσο αυξάνει το μέγεθος αυξάνει και η διαγνωστική ευαισθησία της βρογχοσκόπησης. Σε περίπτωση, επίσης, κακοήθειας, και ιδίως πρωτοπαθούς, η ευαισθησία είναι σαφώς μεγαλύτερη [8]. Η ενδοαυλική ανάπτυξη εξεργασιών στην τραχεία και τους βρόγχους προκαλεί φαινόμενα που επιβαρύνουν τη γενική κατάσταση των πνευμονολογικών ασθενών. Ποικίλες τεχνικές εφαρμόστηκαν για την αντιμετώπιση τέτοιων προβλημάτων. Οι τεχνικές αυτές παρουσιάζουν μια διαχρονική εξέλιξη που συμβαδίζει με την τεχνολογική ανάπτυξη. Βρογχοσκοπικές θεραπευτικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται γενικά για καλοήθεις και καοήθεις αποφρακτικές βλάβες των αεραγωγών είναι [9]: Laser Διαθερμία Φωτοδυναμική θεραπεία Κρυοθεραπεία Τοποθέτηση ενδοπρόσθεσης (stent) Βραχυθεραπεία Διαστολή με μπαλόνι 2.5 Δείγματα βρογχοσκοπικών εικόνων Για την καλύτερη κατανόηση της βρογχοσκόπησης καθώς και της φυσιολογίας του φυσιολογικού και μη φυσιολογικού βρογχικού δέντρου, παρατίθενται βρογχοσκοπικές εικόνες από φυσιολογικό ιστό και ορισμένες παθολογικές καταστάσεις. Για να καταφέρουμε να βοηθήσουμε τους βρογχοσκόπους να οδηγηθούν σε καλύτερη 61

62 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση διάγνωση είναι ουσιώδες να καταλάβουμε τι ακριβώς παρατηρούν και τι ψάχνουν κατά τη διάρκεια της εξέτασης. Είναι επίσης αναγκαίο να εκπαιδευτούμε σε βασικά στοιχεία της φυσιολογικής ανατομίας και παθολογίας του βρογχικού δέντρου. Οι παρακάτω εικόνες είναι ελάχιστα δείγματα από την εξέταση και τη συνολική εργασία ενός βρογχοσκόπου, αρκετά όμως για να κατανοήσουμε ορισμένα βασικά σημεία της βρογχοσκόπησης και του βρογχικού δέντρου. Περισσότερες βρογχοσκοπικές εικόνες για εμβάθυνση του συγκεκριμένου θέματος μπορούν να βρεθούν στην αντίστοιχη βιβλιογραφία. Φυσιολογικός κύριος διχασμός Εικόνα 2.10 Φυσιολογικός κύριος διχασμός Ο βλεννογόνος του βρογχικού δέντρου είναι φυσιολογικά ελαφρώς ροδόχρους ή σαρκώδης και συχνά λεπτά αγγεία μπορούν μόλις να παρατηρηθούν και δημιουργούν έναν λεπτό σχηματισμό, ιδιαίτερα γύρω από την κύρια τρόπιδα και τους κύριους βρόγχους. Η κύρια τρόπιδα είναι φυσιολογικά οξεία. Τα περιγράμματα των βρογχικών χόνδρων παρατηρούνται σαφώς πέραν της τρόπιδας περισσότερο στον ευθύτερο δεξιό κύριο βρόγχο, ο οποίος είναι φυσιολογικά περισσότερο ορατός σε μεγαλύτερο βάθος από ό,τι αριστερά. Οι οπίσθιες επιμήκεις βλεννογονικές αυλακώσεις παρατηρούνται καλώς ιδιαίτερα στην κατώτερη τραχεία και τον δεξιό κύριο βρόγχο [1]. 62

63 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση Φυσιολογική αριστερή κατώτερη διακλάδωση Εικόνα 2.11 Φυσιολογική αριστερή κατώτερη διακλάδωση Ο ευρύς πρόσθιος βασικός βρόγχος εκφύεται ακριβώς πριν τον μικρότερο οπίσθιο και πλάγιο βασικό βρόγχο και αμέσως συμπληρώνει μέσω ενός μέσου κλάδου το έσω βασικό πνευμονικό τμήμα. Οι δευτερογενείς τρόπιδες είναι φυσιολογικά οξείες και ο βλεννογόνος φυσιολογικός [1]. Βρογχίτιδα Εικόνα 2.12 Βρογχίτιδα. Αριστερή κατώτερη διακλάδωση 63

64 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση Οι αλλοιώσεις της βρογχίτιδας φαίνονται συχνά να εκτείνονται στους πλέον περιφερικούς βρόγχους και συχνά επισημαίνονται περισσότερο στους βασικούς κλάδους όπου συλλέγονται συνήθως οι εκκρίσεις. Ορισμένες από αυτές, όπως φαίνεται από την παραπάνω εικόνα, είναι η βλεννογονική ερυθρότητα και η αγγειακή συμφόρηση. Το οίδημα έχει επίσης επισκιάσει τα συνήθη οξέα περιγράμματα των δευτερογενών τρόπιδων σε αυτό το επίπεδο. Συγκρίνοντας με την εικόνα 2.11 που απεικονίζει το αντίστοιχο φυσιολογικό σημείο του βρογχικού δέντρου, είναι εύκολο να παρατηρήσουμε τις αλλοιώσεις που έχουν υποστεί τόσο ο βλεννογόνος όσο και οι τρόπιδες [1]. Ενεργός φυματιώδης λεμφαδενίτιδα Εικόνα 2.13 Ενεργός φυματιώδης λεμφαδενίτιδα. Δεξιός κύριος βρόγχος Ο βλεννογόνος είναι αξιοσημείωτα εξέρυθρος και οιδηματώδης. Το μέσο τοίχωμα του κυρίου βρόγχου έχει μετατοπισθεί πλαγίως και η δευτερεύουσα τρόπιδα μεταξύ κυρίου και άνω λοβαίου βρόγχου είναι διαπλατυσμένη. Και οι δύο αυτές αλλοιώσεις οφείλονται σε διόγκωση λεμφαδένων. Κατά συνέπεια ο αυλός του κατώτερου τμήματος του δεξιού κύριου βρόγχου έχει ελαττωθεί πολύ και το στόμιο του άνω λοβού έχει στενωθεί. Όλες οι παραπάνω ενδείξεις οδηγούν στην υποψία για ύπαρξη καρκινώματος. Η βιοψία όμως από την περιοχή έδειξε ενεργό φυματίωση [1]. 64

65 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση Αλλοίωση από διογκωμένους λεμφαδένες Εικόνα 2.14 Αλλοίωση από διογκωμένους λεμφαδένες. Αριστερός κύριος βρόγχος Το βρογχοσκοπικό εύρημα που εδώ παρουσιάζεται οφείλεται σε διόγκωση αδένα κάτω από δευτερεύουσα τρόπιδα. Για τον λόγο αυτό εμφανίζεται τόσο διαπλατυσμένη. Η περιοχή θεωρήθηκε ύποπτη και έγινε λήψη βιοψίας, η οποία έδειξε μικροκυτταρικό καρκίνωμα. Συγκρίνοντας την εικόνα αυτή με την προηγούμενη, είναι προφανές ότι σε ορισμένες περιπτώσεις είναι αδύνατο να ξεχωρίσουμε με απλή παρατήρηση των βρογχοσκοπικών εικόνων την διάφορα μεταξύ του καρκινώματος και μίας φλεγμονώδους αλλοίωσης [1]. Καρκίνωμα in situ. Αριστερή κατώτερη διακλάδωση. Εικόνα 2.15 Καρκίνωμα in situ. Αριστερή κατώτερη διακλάδωση 65

66 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση Η ανατομία των βασικών διακλαδώσεων παρατηρείται πολύ καθαρά σε αυτή την εικόνα (συγκρίνετε με την εικόνα 2.11). Ο ασθενής ήταν υγιής και μη καπνιστής γι αυτό και ο υγιής βλεννογόνος και οι οξύαιχμες τρόπιδες. Πάντως είχε παραπονεθεί για τρεις μικρές αιμοπτύσεις τους προηγούμενους έξι μήνες. Παρά της φυσιολογικής εικόνας του βρογχικού δέντρου, εντοπίστηκε στο στόμιο του οπίσθιου βασικού τμηματικού βρόγχου ένας πολύ μικρός όγκος. Η βιοψία από το ογκίδιο έδειξε καρκίνωμα in situ [1]. Επιθετικός Καρκίνος Εικόνα 2.16 Επιθετικός Καρκίνος. Δεξιός κατώτερος βρόγχος Ο πρωτοπαθής όγκος φαίνεται σαν μία μικρή λοβώδης σαρκώδης μάζα στο πλάγιο τοίχωμα του κατωτέρου βρόγχου εκφυόμενος ακριβώς από το κορυφαίο κατώτερο στόμιο. Ο σαρκώδης όγκος αποφράσσει σχεδόν πλήρως το βασικό σύστημα πέρα από τον έσω βασικό βρόγχο [1]. 66

67 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση 2.6 Βιβλιογραφία [1] P. Stradling, Διαγνωστική Βρογχοσκόπηση, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα, 1997 [2] S. Ikeda, N. Yanai, and S. Ishikawa, Flexible broncho-fiberscope Keiro J. Med., vol. 17, pp. l-16, 1968 [3] Δ. Πολυζωγόπουλος, Βρογχοσκόπηση με το άκαμπτο βρογχοσκόπιο, Επεμβατική Πνευμονολογία, Εκδόσεις της Ελληνικής Πνευμονολογικής Εταιρίας, σελ , Αθήνα 2001 [4] Κ. Κατής, Μ. Χαραλαμπάτου, Το μέλλον της βρογχοσκόπησης με το εύκαμπτο βρογχοσκόπιο, Επεμβατική Πνευμονολογία, Εκδόσεις της Ελληνικής Πνευμονολογικής Εταιρίας, σελ , Αθήνα 2001 [5] ECRI Institute, Healthcare Product Comparison System - Bronchoscopes, May 2003, [6] [7] Φρ. Βλαστός, Ινοβρογχοσκόπηση: Ενδείξεις, αντενδείξεις, επιπλοκές, Επεμβατική Πνευμονολογία, Εκδόσεις της Ελληνικής Πνευμονολογικής Εταιρίας, σελ , Αθήνα 2001 [8] Π. Δεμερτζής, Ινοβρογχοσκόπηση: Τεχνική, συλλογή κυτταρολογικού υλικού, βρογχική βιοψία, Επεμβατική Πνευμονολογία, Εκδόσεις της Ελληνικής Πνευμονολογικής Εταιρίας, σελ , Αθήνα 2001 [9] Ν. Παπανικολάου, Χ. Παπαγόρας, Ε. Ζαχαριάδης, Θεραπευτικές τεχνικές με το βρογχοσκόπιο, Επεμβατική Πνευμονολογία, Εκδόσεις της Ελληνικής Πνευμονολογικής Εταιρίας, σελ , Αθήνα

68 Κεφάλαιο 2 Βρογχοσκόπηση 68

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός 3.1 Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης φωτός-ιστού Το φως, συνήθως, διαμορφώνεται όταν προσπίπτει πάνω σε ένα αντικείμενο - ιστός στην περίπτωσή μας. Η διαμόρφωση αυτή εξαρτάται από τα δομικά χαρακτηριστικά του ίδιου του ιστού. Συνεπώς, η διερεύνηση και ανάλυση του οπισθοσκεδαζόμενου φωτός προσφέρει σημαντική πληροφορία για τον ίδιον τον ιστό. Ο επιστημονικός τομέας που ασχολείται με τις μεθόδους αναλυτικής μελέτης του οπισθοσκεδαζόμενου φωτός είναι η φασματοσκοπία [1]. Φασματοσκοπία καλείται ο επιστημονικός τομέας μελέτης των μηχανισμών απορρόφησης, εκπομπής ή σκέδασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από άτομα ή μόρια, προκείμενου ποιοτικά ή ποσοτικά να μελετηθούν αυτά τα άτομα ή μόρια, καθώς και τα φαινόμενα σχετιζόμενα με σύνοδες φυσικές διεργασίες, κατά την αλληλεπίδρασή τους με ένα αντικείμενο. Η αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με ένα αντικείμενο μπορεί δυνητικά να προκαλέσει αλλαγή της διεύθυνσης της ακτινοβολίας ή/και μεταβολές των ενεργειακών επιπέδων των εμπλεκομένων ατόμων ή μορίων. Η μετάπτωση από ένα χαμηλό σε ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο με σύγχρονη μεταβίβαση ενέργειας από το πεδίο ακτινοβολίας στο άτομο ή στο μόριο καλείται απορρόφηση (absorption). Η μετάπτωση από ένα υψηλό σε ένα χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο καλείται εκπομπή (emission) εάν η απελευθερωμένη ενέργεια αποδίδεται στο πεδίο ακτινοβολίας ή μη ραδιενεργός αποσύνθεση (decay) εάν δεν εκπέμπεται ακτινοβολία. Αλλαγή της διεύθυνσης του φωτός λόγω της αλληλεπίδρασής του με ένα αντικείμενο (π.χ. ιστός), καλείται σκέδαση (scattering) και δύναται ή όχι να συνοδεύεται με μεταφορά ενέργειας. Έτσι, η σκεδαζόμενη ακτινοβολία μπορεί να έχει ίδιο ή ελαφρώς διαφορετικό μήκος κύματος [2]. Η δυνητική ικανότητα των φασματοσκοπικών τεχνικών στο να παράσχουν μη επεμβατική, αντικειμενικώς καταγεγραμμένη ποσοτική πληροφορία, σχετικά με τη 69

70 Κεφάλαιο 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός διαφοροποίηση των ύποπτων δυσπλαστικών ή κακοήθων ιστικών αλλοιώσεων αποτελεί επιστημονικό θώκο πολλών ερευνητών. Το πλεονέκτημα των φασματοσκοπικών τεχνικών έγκειται στην ικανότητα της ανίχνευσης και ποσοτικής εκτίμησης αλλαγών σε κυτταρικό επίπεδο, αλλά και σε επίπεδο αρχιτεκτονικής ιστού σχετιζόμενης με την εξέλιξη της αλλοίωσης. Αρκετές φασματοσκοπικές τεχνικές έχουν χρησιμοποιηθεί στον τομέα της οπτικής διάγνωσης βασιζόμενες στη διερεύνηση των μηχανισμών αλληλεπίδρασης φωτόςιστού. Υπάρχουν αρκετοί, διαφορετικοί, πλην όμως σχετιζόμενοι μηχανισμοί (Εικόνα 3.1). Όταν μια δέσμη φωτός προσπίπτει σε έναν ιστό, υπάρχουν τέσσερις πιθανότητες: Το προσπίπτον φως της δέσμης μπορεί να υποστεί ανάκλαση και να μην προκαλέσει καμία μεταβολή στον ιστό. Συνήθως το ποσοστό που ανακλάται είναι το 3-5% του προσπίπτοντος φωτός και οφείλεται στους διαφορετικούς δείκτες διάθλασης του αέρα και του ιστού. Το υπόλοιπο της δέσμης διαδίδεται μέσα στον ιστό, σκεδάζεται πολλαπλά και ένα μέρος απορροφάται. Η ακτινοβολία που απορροφάται από τον ιστό μπορεί να προκαλέσει τη θέρμανσή του, φωτοχημικές αντιδράσεις ή/και εκπομπή φθορισμού. Το ποσοστό του απορροφούμενου και σκεδαζόμενου φωτός εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτός και τις οπτικές ιδιότητες του ιστού. Τέλος, ορισμένα μήκη κύματος μπορούν να διέλθουν μέσα από τον ιστό χωρίς να προκαλέσουν κανένα θερμικό αποτέλεσμα, ο ιστός δηλαδή είναι διάφανος γι αυτά τα μήκη κύματος [2]. Εικόνα 3.1 Αλληλεπίδραση φωτός-ιστού. Απεικόνιση μηχανισμού ανάκλασης, απορρόφησης, σκέδασης και διάδοσης Ακολούθως, παρουσιάζεται η περιγραφή των μηχανισμών αυτών εν συντομία. 70

71 Κεφάλαιο 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός Απορρόφηση Όταν άτομα ή μόρια απορροφούν φως η μεταβιβαζόμενη ενέργεια διεγείρει συγκεκριμένες δομές σε ανώτερο ενεργειακό επίπεδο. Ο τύπος της διέγερσης σχετίζεται με το μήκος κύματος του φωτός. Έτσι, το μεν υπεριώδες ή το ορατό φως προκαλούν μετακίνηση ηλεκτρονίων σε υψηλότερη τροχιά, το υπεριώδες φως προκαλεί στα ηλεκτρόνια δονήσεις, ενώ τα μικροκύματα προκαλούν περιστροφές. Συνεπώς, ένα φάσμα απορρόφησης εκφράζει την απορρόφηση του φωτός ως συνάρτηση του μήκους κύματος. Το φάσμα ενός ατόμου ή μορίου εξαρτάται από την ενεργειακή του στάθμη και συνεπώς τα φάσματα απορρόφησης είναι πολύ χρήσιμα στην ταυτοποίηση των συστατικών ενός δείγματος. Η μέτρηση της συγκέντρωσης των συστατικών ενός δείγματος αναλόγως των φασμάτων απορρόφησης, γίνεται με την εφαρμογή του νόμου των Beer-Lambert [1]: Έστω δέσμη παράλληλης μονοχρωματικής ακτινοβολίας, ισχύος Ρ 0, χτυπά κύτταρο το οποίο περιέχει διάλυμα συγκεντρώσεως C σε απορροφητικό υλικό και πάχους b (cm). Ως συνέπεια της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτονίων και απορροφητικών σωματιδίων, η ισχύς της δέσμης εξασθενεί από Ρ 0 σε Ρ. Η διαπερατότητα Τ του διαλύματος καθορίζεται σαν το κλάσμα: Τ = Ρ/Ρ 0 (3.1) Η διαπερατότητα του διαλύματος εκφράζεται ως: Α = -log T = -log P/P 0 (Beer s Law) (3.2) Επίσης: Α = a*b*c = P/P0 (3.3) Όπου: C = η συγκέντρωση του διαλύματος σε moles/lt b = το μήκος του κυττάρου σε cm a = η μοριακή αγωγιμότητα σε lt/cm x mole Εκπομπή Άτομα ή μόρια που διεγείρονται σε υψηλά ενεργειακά επίπεδα μπορεί να μεταπέσουν σε χαμηλότερα επίπεδα, εκπέμποντας παράλληλα ακτινοβολία. Για άτομα που διεγείρονται από ενεργειακή πηγή υψηλής θερμοκρασίας, αυτή η εκπομπή φωτός καλείται ατομική ή οπτική εκπομπή, ενώ για άτομα που διεγείρονται με το φως η εκπομπή καλείται 71

72 Κεφάλαιο 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός ατομικός φθορισμός [2]. Για τα μόρια, φθορισμός καλείται όταν η μετάπτωση γίνεται μεταξύ καταστάσεων της ιδίας ενεργειακής τροχιάς (spin), ενώ φωσφορισμός όταν η μετάπτωση γίνεται μεταξύ καταστάσεων διαφορετικής ενεργειακής τροχιάς. Η ένταση εκπομπής μίας ουσίας είναι γραμμικώς ανάλογη με τη συγκέντρωση της ουσίας και συνεπώς η μέτρησή της είναι χρήσιμη στον ποσοτικό προσδιορισμό της ουσίας αυτής. Ο μοριακός φθορισμός [2] είναι η οπτική εκπομπή από μόρια που έχουν διεγερθεί σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα, λόγω απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Το μεγάλο πλεονέκτημα της ανίχνευσης του φθορισμού έναντι της μέτρησης της απορρόφησης είναι η μεγαλύτερη ευαισθησία της μέτρησης, μια που το σήμα του φθορισμού εξ ορισμού έχει μηδενικό φόντο (background). Οι αναλυτικές εφαρμογές περιλαμβάνουν ποσοτικές μετρήσεις διαφόρων μορίων σε διαλύματα, καθώς και ανίχνευση φθορισμού σε υγρή χρωματογραφία [2]. Σκέδαση Όταν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία περνά μέσα από ένα υλικό (π.χ. ιστικό δείγμα), ένα κλάσμα της αλλάζει κατεύθυνση. Όταν το φως σκεδάζεται στο ίδιο μήκος κύματος με το προσπίπτον σε ένα αντικείμενο φως, έχουμε σκέδαση Rayleigh. Σε περιπτώσεις διαφανών στερεών, όπου το φως σκεδάζεται λόγω δονήσεων (phonons) έχουμε σκέδαση Brillouin. Στη σκέδαση Brillouin υπάρχει χαρακτηριστική απόκλιση 0,1-1cm -1 από το προσπίπτον φως. Όταν το φως σκεδάζεται σε στερεά, λόγω μοριακών δονήσεων ή οπτικών phonons έχουμε σκέδαση Raman. Στην σκέδαση Raman υπάρχει χαρακτηριστική απόκλιση 4000cm -1 από το προσπίπτον φως [2]. Σε αντίθεση με τη διάταξη των φασματόμετρων απορρόφησης, στα φασματόμετρα φθορισμού το υπό εξέταση αντικείμενο φωτίζεται με μονοχρωματικό φως, σε διάφορα μήκη κύματος, με τη βοήθεια ενός μονοχρωμάτορα διέγερσης. Και στις δύο περιπτώσεις, η διέγερση και επεξεργασία της οπτικής πληροφορίας μπορεί να γίνει με τη βοήθεια οπτικών ινών, επιτυγχάνοντας in situ μη επεμβατική ανάλυση. 3.2 Φθορισμός βιολογικών ιστών Ο φθορισμός των βιολογικών ιστών χωρίζεται σε δύο κατηγορίες: α) στον ενδογενή φθορισμό που ονομάζεται αυτοφθορισμός (ΑΦ) [3], β) στον προκληθέντα (εξωγενή ή προκληθέντα εξωγενώς) φθορισμό 72

73 Κεφάλαιο 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός Ενώ ο αυτοφθορισμός χρησιμοποιείται ουσιαστικά για διαγνωστικούς λόγους, ο εξωγενής ή ενδογενώς προκληθείς φθορισμός χρησιμοποιείται και για τη διάγνωση και για τη θεραπεία. Ο αυτοφθορισμός προέρχεται από την αντίδραση στο φως ενδογενών φθοριζόντων μορίων (fluorochromes) [3]. Σχεδόν όλοι οι βιολογικοί ιστοί εκπέμπουν φθορισμό όταν διεγείρονται στο κατάλληλο μήκος κύματος στην UV ή ορατή φασματική περιοχή. Ένας βιολογικός ιστός αποτελείται από την σύνθεση φθοριζόντων και μη-φθοριζόντων μορίων. Οι ιστοί περιέχουν χρωμοφόρες και φθορίζουσες ουσίες μεγάλης διαγνωστικής σημασίας, όπως η τρυπτοφάνη, η ελαστίνη, το κολλαγόνο, το νικοτιναμίδιο-αδενινοδινουκλεοτίδιο (NADH) και οι φλαβίνες. Φασματικά χαρακτηριστικά κοινών ιστικών χρωμοφόρων παρουσιάζονται στο σχήμα 3.1 [1]. Σχήμα 3.1 Φασματικά χαρακτηριστικά κοινών ιστικών χρωμοφόρων 3.3 Ο φθορισμός στην ανίχνευση καρκίνου Όταν ένα φωτόνιο απορροφάται σε έναν ιστό, το διεγερμένο μόριο μπορεί να επιστρέψει στην αρχική ενεργειακή κατάσταση με ακτινοβολία (φθορισμό). Το φάσμα του εκπεμπόμενου φωτός «φέρει» πληροφορία, τόσο για την παρουσία διάφορων μορίων στον ιστό, όσο και για τυχόν δομικές αλλαγές στον ίδιο τον ιστό. Πρέπει σε αυτό το σημείο να τονιστεί ότι κατά την αποδιαφοροποίηση του φυσιολογικού ιστού σε καρκινικό συμβαίνουν 73

74 Κεφάλαιο 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός πολλές αλλαγές τόσο στην δομή όσο και στην σύσταση του ιστού. Οι μεταβολές σύστασης σχετιζόμενες με κάποια παθολογική κατάσταση του ιστού μπορούν είτε να καταγραφούν μετρώντας σήματα απορρόφησης φθορισμού ή και σκέδασης (ελαστικής, μη ελαστικής) είτε να παρατηρηθούν απεικονίζοντας την εκπεμπόμενη ακτινοβολία. Παράλληλα, δομικές και μορφολογικές πληροφορίες μπορεί να αποκτηθούν με τεχνικές που διερευνούν τις ιδιότητες ελαστικής σκέδασης του ιστού. Σε παθολογικές καταστάσεις, τα χαρακτηριστικά του φθορισμού του ιστού δύναται να διαφοροποιηθούν. Αυτό το γεγονός, συνεπάγεται την φασματική διαφοροποίηση μεταξύ φυσιολογικού και μη φυσιολογικού ιστού (Σχήμα 3.2). Αυτή η πολύ απλή βασική αρχή είναι θεμελιώδης, τόσο για την ανίχνευση του καρκίνου όσο και σε άλλες εφαρμογές, όπως η ανίχνευση του κορεσμού του οξυγόνου, η ανίχνευση της αθηρωμάτωσης, κτλ. Εκτενείς in vitro και in vivo μελέτες σε διάφορες περιοχές, όπως η στοματική κοιλότητα έχουν επιτυχώς επιδείξει τη δυνατότητα της φασματοσκοπίας φθορισμού στην ανίχνευση και διαφοροποίηση φυσιολογικού από μη φυσιολογικό ιστό. Παρόλη την φαινομενική επιτυχία αυτής της τεχνικής, το φάσμα φθορισμού είναι κοινό σε διάφορες μη καρκινικές καταστάσεις, όπως είναι διάφορες φλεγμονές ή δυσπλασίες [4]. Σχήμα 3.2 Φασματική διαφοροποίηση μεταξύ φυσιολογικού και καρκινικού ιστού (φάσματα φθορισμού) 74

75 Κεφάλαιο 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός Η θεμελιώδης αρχή του χαρακτηρισμού ιστού ή της ανίχνευσης καρκίνου από τον φθορισμό είναι να χρησιμοποιηθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της παθογένειας και του περιβάλλοντος υγιούς ιστού. Η αντίθεση μπορεί να παραχθεί από τη φωτεινότητα του φθορισμού, τις φασματικές ιδιότητες αυτού, τη διάρκεια ζωής ή έναν συνδυασμό τους. Η ανίχνευση αυτών των διαφορών εκτελείται γενικά από τις φασματοσκοπικές μετρήσεις ή από την απεικόνιση του φθορισμού. Η διέγερση του ιστού μπορεί να γίνει με δύο τρόπους. Στον πρώτο, οπτικές ίνες τοποθετούνται σε άμεση επαφή με τον ιστό, ενώ στον δεύτερο, ουσιαστικά χρησιμοποιούμενο για την απεικόνιση, μια μεγαλύτερη περιοχή επιφάνειας του ιστού φωτίζεται. Κάθε προσέγγιση έχει τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς της. Με την επαφή σημείου, η πίεση στον ιστό μπορεί να αλλάξει την τοπική περιεκτικότητα σε αίμα και να διαστρεβλώσει έτσι το φάσμα. Οι φασματικές παραμορφώσεις μπορούν επίσης να προκύψουν στον φωτισμό μεγάλης περιοχής λόγω ανομοιογενειών στην οπτική απορρόφηση ή/και τη σκέδαση του ιστού. Για την φασματοσκοπία, η εκπομπή φθορισμού μπορεί να συλλεχθεί μέσω της ίδιας οπτικής ίνας που χρησιμοποιείται για τη διέγερση ή από μια ή περισσότερες χωριστές ίνες. Χωριστή οπτική διέγερση και συλλογή απαιτείται για την απεικόνιση φθορισμού. Οι ανιχνευτές απεικόνισης είναι γενικά βασισμένοι σε κάμερες τύπου CCD. Η διαγνωστική δυνατότητα του φθορισμού των βιολογικών ιστών περιγράφηκε αρχικά από τον Stubel το Ο Stubel ερεύνησε τον εγγενή φθορισμό (αυτοφθορισμό) του ζωικού ιστού κάτω από φωτισμό με υπεριώδες φως. Το 1924 ο Γάλλος Policard παρατήρησε τον κόκκινο φθορισμό από πορφυρίνες κατά την εξέταση όγκων με το φως λάμπας Wood. Πράγματι, ο Policard παρατήρησε τις ενδογενείς πορφυρίνες που εμφανίζονται σε ιστούς όγκων. Αρκετά χρόνια αργότερα, οι Γερμανοί Auler και Banzer περιέγραψαν τον εντοπισμό και τον φθορισμό εξωγενώς χορηγημένων πορφυρινών σε κακοήθεις όγκους. Διάφορες μελέτες έχουν αναφερθεί στην εξωγενή εφαρμογή HpD και πορφυρινών για την ανίχνευση των νεοπλασματικών και μη-νεοπλασματικών παθογενειών σε διάφορα όργανα. Στη δεκαετία του '60 και τη δεκαετία του '70 η ανίχνευση φθορισμού που χρησιμοποιεί τα παράγωγα αιματοπορφυρίνης, χρησιμοποιήθηκε από διάφορες ομάδες για την ανίχνευση νεοπλασιών στον τράχηλο, τον οισοφάγο, το ορθό έντερο, τους βρόγχους και την περιφέρεια του λαιμού (στόμα, φάρυγγας, λάρυγγας). Στη δεκαετία του '80, οι Alfano et al και Yang et al εκτέλεσαν πρωτοποριακή εργασία στον τομέα της φασματοσκοπίας αυτοφθορισμού για τη μελέτη νεοπλασματικών και μη-νεοπλασματικών 75

76 Κεφάλαιο 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός ιστών στους ανθρώπους και τα ζώα [5]. Σήμερα, η φασματοσκοπία και η απεικόνιση του αυτοφθορισμού των ιστών χρησιμοποιούνται ως διαγνωστικό εργαλείο σε διάφορες ιατρικές ειδικότητες συμπεριλαμβανομένων της πνευμονολογίας, ωτορινολαρυγγολογίας, ουρολογίας και γυναικολογίας [5]. 76

77 Κεφάλαιο 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός 3.4 Βιβλιογραφία [1] Δ. Γιόβα, Εισαγωγή στην Εφαρμοσμένη Βιοφυσική και Μηχανική του Κυττάρου, Εκδόσεις Ε.Μ.Π., Αθήνα [2] M. H. Niemz, Laser - Tissue Interactions: Fundamentals and Applications, 3 rd Edition, Springer, New York, 2007 [3] Wright Cell Imaging Facility, Autofluorescence: Causes and Cures, [4] Ε. Προκοπάκης, Η πολυφασματική απεικόνιση ως διαγνωστικό μέσο των αλλοιώσεων των βλεννογόνων της τραχηλοπροσωπικής χώρας, [5] N. Ramanujam, Fluorescence Spectroscopy In Vivo, Encyclopedia of Analytical Chemistry, pp ,

78 Κεφάλαιο 3 Φυσικοί Μηχανισμοί Αλληλεπίδρασης Φωτός με Ιστούς - Φθορισμός 78

79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση 4.1 Εισαγωγή Είναι γνωστό ότι ο καρκίνος του πνεύμονα εξελίσσεται μέσα από μία διαδοχή παθολογοανατομικών σταδίων που ξεκινά από τη μεταπλασία και καταλήγει στο καρκίνωμα in situ (CIS) και στον διηθητικό καρκίνο. Δεδομένης της κακής γενικά πρόγνωσης της νόσου όταν ανιχνευθεί στην ακτινογραφία (Α/Α) θώρακος, είναι απόλυτα δικαιολογημένο το ενδιαφέρον που υπάρχει για την ανεύρεση, αντιμετώπιση και παρακολούθηση προνεοπλασματικών αλλοιώσεων. Είναι γνωστό επίσης ότι η εκπομπή ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος φωτός μεταξύ nm προκαλεί φθορισμό των κυττάρων. Η αυτοφθορίζουσα βρογχοσκόπηση (ΑΦΒ) εντοπίζει παθολογικές περιοχές στον βρογχικό βλεννογόνο βασιζόμενη στον διαφορετικό φθορισμό των φυσιολογικών από τα νεοπλασματικά κύτταρα (το φυσιολογικό βρογχικό επιθήλιο εμφανίζεται πρασινωπό κυρίως εξαιτίας των φθοριζουσών ουσιών του συνδετικού ιστού, ενώ το παθολογικό απεικονίζεται σκούρο κόκκινο-καφέ ή ιώδες-μπλε ανάλογα με το σύστημα φθορισμού). Το πρώτο και πιο διαδεδομένο σύστημα αυτοφθορίζουσας βρογχοσκόπησης είναι το LIFE (Lung Imaging or Light Induced Fluorescence Endoscope) ενώ νεώτερα συστήματα είναι το D-Light (Karl Storz) και το SAFE 3000 (Pentax). Οι αλλοιώσεις του βλεννογόνου επί δυσπλασίας και καρκινώματος in situ τις περισσότερες φορές έχουν τη μορφή ειδικών ευρημάτων όπως ένα ανεπαίσθητο οίδημα ή υπεραιμία του βλεννογόνου, ευρήματα που μπορεί να μην επισημανθούν ακόμη και από έμπειρους βρογχοσκόπους με το λευκό φως της απλής βρογχοσκόπησης (βλ. παράγραφο 2.5). Αποδίδουν στην αυτοφθορίζουσα βρογχοσκόπηση θετική προγνωστική αξία στην ανίχνευση ενδοεπιθηλιακών νεοπλασματικών αλλοιώσεων σε ποσοστό 22-76%. Ωστόσο είναι άγνωστη η σημασία των ύποπτων ευρημάτων στην ΑΦΒ που συνοδεύεται από αρνητικές βιοψίες. Το σημαντικότερο μειονέκτημα της μεθόδου είναι το υψηλό ποσοστό (έως 35%) ψευδώς θετικών ευρημάτων που οφείλονται σε τραύματα ή φλεγμονές. 79

80 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση 4.2 Η μέθοδος της αυτοφθορίζουσας βρογχοσκόπησης στην πρώιμη διάγνωση του καρκίνου του πνεύμονα Λόγω του ότι η παρουσία συμπτωμάτων συνήθως αποκαλύπτει προχωρημένη νόσο, ένας πιθανά πιο αποτελεσματικός τρόπος να βελτιώσουμε την πρόγνωση είναι να διαγνώσουμε τον καρκίνο του πνεύμονα σε ασυμπτωματικό στάδιο και να τον αντιμετωπίσουμε σ' αυτή την αρχική φάση. Οι μέχρι τώρα προσπάθειες πρώιμης διάγνωσης με περιοδική ακτινογραφία θώρακος και κυτταρολογική εξέταση πτυέλων φαίνεται να έχουν αποτύχει. Καινούργιες μέθοδοι όπως η ελικοειδής χαμηλής δόσης CT-θώρακος, και μοριακοί δείκτες στα πτύελα (p53, p16, p31, κ.ά.) κερδίζουν συνεχώς έδαφος [1]. Είναι ήδη γνωστό ότι η καρκινογένεση είναι μία πολυσταδιακή διαδικασία κατά την οποία, συσσωρεύονται επίκτητες γενετικές βλάβες που προκαλούνται από εισπνεόμενα καρκινογόνα, καθοδηγώντας τα κύτταρα του βρογχικού επιθηλίου από τον φυσιολογικό, στον προνεοπλασματικό (μεταπλασία, δυσπλασία, καρκίνος in situ (CIS)) και τελικά, στον κακοήθη φαινότυπο. Οι προνεοπλασματικές βλάβες είναι πολύ μικρές σε μέγεθος (1,5-8mm) κι έτσι είναι δύσκολο να ανιχνευθούν ακόμα κι από έναν έμπειρο βρογχοσκόπο. Οι συμβατικές μέθοδοι ελέγχου του βρογχικού δένδρου, όπως η κοινή βρογχοσκόπηση, έχουν δυνατότητα εντοπισμού μόνο του 30% των προνεοπλασματικών βλαβών. Τα τελευταία χρόνια καινούργιες τεχνικές ανίχνευσης και εντοπισμού εισβάλλουν στην κλινική πράξη και ξεπερνώντας τις δυνατότητες του γυμνού οφθαλμού αποκαλύπτουν πληροφορίες κρυμμένες στα κύτταρα που βοηθούν στη διάκριση του νεοπλασματικού ιστού από τον φυσιολογικό [1]. Μια τέτοια τεχνική είναι η αυτοφθορίζουσα βρογχοσκόπηση (ΑΦΒ) [1], [2], [3] η οποία αποτελείται από μία πηγή φωτός (laser) κι ένα οπτικό φίλτρο που προσαρμόζεται στο βρογχοσκόπιο. Φωτίζοντας με μπλε υπεριώδες φως (442nm), η φθορίζουσα βρογχοσκόπηση έχει τη δυνατότητα να εντοπίζει περιοχές παθολογικού φθορισμού στον βρογχικό βλεννογόνο βασιζόμενη στον διαφορετικό φθορισμό των νεοπλασματικών κυττάρων σε σχέση με τα φυσιολογικά. Η εκπομπή ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος φωτός μεταξύ nm, προκαλεί αυτοφθορισμό των κυττάρων που οφείλεται σε ενδογενείς φθορίζουσες ουσίες οι οποίες, στην περίπτωση του βρογχικού δένδρου, βρίσκονται στην υποβλεννογόνια στοιβάδα και είναι το κολλαγόνο και η ελαστίνη. 80

81 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση Όταν μία μονοχρωματική ακτίνα φωτός των 442nm οδηγείται πάνω στον βλεννογόνο των βρόγχων, οι ενδογενείς φθορίζουσες ουσίες της υποβλεννογόνιας στοιβάδας διεγείρονται, ανακλούν και φθορίζουν σε μεγαλύτερο μήκος κύματος φωτός (>500nm) που αντιστοιχεί στο πράσινο. Οι προνεοπλασματικές βλάβες υπολογίζεται ότι φθορίζουν περίπου 10 φορές λιγότερο, με αποτέλεσμα να υπερισχύει άλλη απόχρωση (Εικόνα 4.1). (α) (β) (γ) Εικόνα 4.1 Αυτοφθορισμός (α) φυσιολογικού ιστού, (β) δυσπλασίας, (γ) καρκινώματος in situ Τα ακριβή αίτια του διαφορετικού φθορισμού των νεοπλασματικών κυττάρων δεν είναι απόλυτα εξακριβωμένα. Σαν πιθανές εξηγήσεις όμως αναφέρονται [1]: α) Το αυξημένο πάχος του επιθήλιου μιας καρκινικής βλάβης και η καταστροφή στοιχείων του συνδετικού ιστού της υποβλεννογόνιας στοιβάδας από μεταλλοπρωτεϊνάσες που εκκρίνουν τα καρκινικά κύτταρα. β) Η αυξημένη αιμάτωση που παρατηρείται τόσο στις νεοπλασματικες όσο και στις προνεοπλασματικές βλάβες καθώς το αίμα θεωρείται ότι μειώνει τον αυτοφθορισμό λόγω αυξημένης απορρόφησης του μπλε φωτός. γ) Η αυξημένη παραγωγή γαλακτικού οξέος από τα καρκινικά κύτταρα λόγω αυξημένης απορρόφησης γλυκόζης (φαινόμενο Warburg). Το γαλακτικό οξύ μειώνει τον αυτοφθορισμό των κυττάρων σε αντίθεση με ενδογενείς φθορίζουσες ουσίες, όπως το κολλαγόνο, η ελαστίνη κ.ά., που αυξάνουν τον αυτοφθορισμό των κυττάρων. Ο φθορισμός των νεοπλασματικών κυττάρων μπορεί να ενισχυθεί με τη χορήγηση εξωγενών φθοριζουσών ουσιών όπως το 5-ALA που συγκεντρώνεται εκλεκτικά στα 81

82 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση καρκινικά κύτταρα. Από τις μελέτες που υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία, η παγκόσμια εμπειρία με την φθορίζουσα βρογχοσκόπηση έδειξε ότι η μέθοδος αυτή έχει τουλάχιστον διπλάσια ευαισθησία από την κοινή βρογχοσκόπηση στον εντοπισμό των προνεοπλασματικών βλαβών (Πίνακας 4.1, Πίνακας 4.2) [2]. Πίνακας 4.1 Εντοπισμός προνεοπλασματικών βλαβών με την κοινή βρογχοσκόπηση Πίνακας 4.2 Εντοπισμός προνεοπλασματικών βλαβών με τη φθορίζουσα βρογχοσκόπηση Η αυτοφθορίζουσα βρογχοσκόπηση αύξησε σημαντικά το δείκτη ανευρέσεως των προνεοπλασματικών βλαβών και βοήθησε να καταλάβουμε περισσότερα για την πνευμονική καρκινογένεση. Εντούτοις παρουσιάζει έναν σημαντικό περιορισμό τον υψηλό αριθμό των ψευδώς θετικών ευρημάτων καθώς η φλεγμονή, το τραύμα και ο κοκκιωματώδης ιστός φθορίζουν σε αποχρώσεις παρόμοιες με αυτές των προνεοπλασιών [1], [2]. 82

83 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση 4.3 Συστήματα αυτοφθορίζουσας βρογχοσκόπησης Η πρώτη απόπειρα διάκρισης του φθορισμού των καρκινικών κυττάρων με την φθορίζουσα βρογχοσκόπηση έγινε το 1979 χρησιμοποιώντας σαν πηγή φωτός μια λάμπα υδραργύρου και αργότερα ένα Krypton-ion laser (laser ιόντων Κρυπτού). Βασικά μειονεκτήματα ήταν η αδυναμία εκτέλεσης κοινής και φθορίζουσας βρογχοσκόπησης την ίδια στιγμή και ο αυξημένος αριθμός ψευδώς θετικών και αρνητικών ευρημάτων [1]. Η πρόοδος της τεχνολογίας συντέλεσε στη δημιουργία βελτιωμένων συστημάτων φθορίζουσας βρογχοσκόπησης με δημοφιλέστερα το LIFE της Xillix, το SAFE της Pentax και το D-Light της Karl Storz [3], [4], [5]. Το LIFE (1996, Xillix Technologies, Vancouver Canada) (Lung Imaging Fluorescence Endoscope) [3], [4] ήταν το πρώτο σύστημα ΑΦΒ που βγήκε στο εμπόριο. Κατασκευάστηκε από τον Steven Lam σε συνεργασία με τη Xillix Technologies Corporation of Vancouver το Χρησιμοποιώντας το LIFE το βρογχικό δένδρο φωτίζεται με μπλε υπεριώδες φως (442nm) από ένα Helium-Cadmium Laser (Laser Ηλίου- Καδμίου) και οι φθορίζουσες εικόνες συλλέγονται από τις οπτικές ίνες του βρογχοσκοπίου. Το κόκκινο και το πράσινο μήκος κύματος φιλτράρονται κι ενισχύονται με ξεχωριστά ενισχυτικά φίλτρα. Οι σχετικές πυκνότητές τους μετριούνται και χρησιμοποιούνται για να συνθέσουν μια ψευδοεικόνα ενισχυμένη από επεξεργαστή βίντεο, η οποία αναδεικνύει τις παθολογικές περιοχές φθορισμού όταν εμφανίζεται τελικά στην οθόνη. Η αυτοφθορίζουσα βρογχοσκόπηση πραγματοποιείται ταυτόχρονα με την κοινή βρογχοσκόπηση χρησιμοποιώντας ξεχωριστές πηγές φωτός. Οι ύποπτες περιοχές εμφανίζονται με κόκκινηκαφέ απόχρωση, ενώ ο φυσιολογικός ιστός με πράσινη (Εικόνα 4.2). 83

84 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση Εικόνα 4.2 ΑΦΒ με το σύστημα LIFE (1996). Η εικόνα Α είναι βρογχοσκοπική εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης (λευκού φωτός) από τον ανώτερο αριστερό λοβό του πνεύμονα. Η εικόνα Β παρουσιάζει την ίδια περιοχή χρησιμοποιώντας αυτοφθορισμό. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ανιχνεύτηκε καρκίνωμα in situ. Η βλάβη (κυκλωμένη περιοχή) παρατηρείται ως καφετί περιοχή σε ένα πράσινο υπόβαθρο Αντίστοιχο με το σύστημα LIFE είναι το σύστημα ΑΦΒ SAFE της PENTAX (Tokyo, Japan) [3], [4]. Το πρώτο σύστημα SAFE-1000 χρησιμοποιεί ένα ζωνοπερατό φίλτρο για να επιτρέψει τη διέλευση μόνο του πράσινου φθορισμού (φυσιολογικός ιστός), με αποτέλεσμα οι ύποπτες περιοχές να εμφανίζονται σκοτεινές. Μεγάλο μειονέκτημα του συγκεκριμένου συστήματος είναι ότι το βάθος των βρόγχων και ορισμένες σκιές εμφανίζονται επίσης σκοτεινές. Η Pentax εξέλιξε το σύστημά της και το 2004 παρουσίασε το SAFE-3000 (2004) [5]. Το συγκεκριμένο σύστημα λειτουργεί όπως το LIFE (πράσινη απόχρωση για φυσιολογική περιοχή, καφέ-κόκκινη για ύποπτη) αλλά παρέχει καλύτερη ανάλυση στην εικόνα και διάφορες νέες τεχνικές όπως το TwinView (ταυτόχρονη παρακολούθηση της κοινής και ΑΦΒ βρογχοσκόπησης) (Εικόνα 4.3). 84

85 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση Εικόνα 4.3 ΑΦΒ με το σύστημα SAFE-3000 (2004). Αριστερά η εικόνα με χρήση λευκού φωτός και δεξιά η αντίστοιχη με χρήση αυτοφθορισμού. Όπως και στο LIFE, οι ύποπτες περιοχές εμφανίζονται με σκούρο κόκκινο-καφέ (κυκλωμένη περιοχή) ενώ ο φυσιολογικός βλεννογόνος με πράσινη απόχρωση. Η ανάλυση του βρογχοσκοπικού βίντεο έχει αυξηθεί με αποτέλεσμα την καλύτερη απεικόνιση της ΑΦΒ Το σύστημα ΑΦΒ D-Light (2000) της Karl Storz (Tuttlingen, Germany) [3], [4] χρησιμοποιεί λάμπα Xenon (Ξένου) για ταυτόχρονη βρογχοσκόπηση λευκού φωτός και αυτοφθορισμού. Χρησιμοποιεί ειδικά οπτικά φίλτρα τόσο για την εκπομπή διέγερσης ( nm) όσο και για το διαχωρισμό μεταξύ ύποπτων και φυσιολογικών περιοχών. Το αποτέλεσμα αυτών των φίλτρων είναι να εμφανίζονται οι ύποπτες περιοχές σε απόχρωση του μπλε-μωβ ενώ οι φυσιολογικές σε απόχρωση του πράσινου (όπως και στα άλλα συστήματα) (Εικόνα 4.4). 85

86 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση Εικόνα 4.4 ΑΦΒ με το σύστημα D-Light (2000). Πάνω η εικόνα με χρήση λευκού φωτός και κάτω η αντίστοιχη με χρήση αυτοφθορισμού. Σε αντίθεση με τα άλλα συστήματα ΑΦΒ, στο D-Light οι ύποπτες περιοχές εμφανίζονται μπλε-μωβ (κυκλωμένη περιοχή) ενώ ο φυσιολογικός βλεννογόνος με πράσινη απόχρωση Η δυνατότητα απεικόνισης των ύποπτων περιοχών σε αποχρώσεις του μπλε-μωβ είναι το μεγάλο πλεονέκτημα του συστήματος D-Light. Όπως έχει αναφερθεί και προηγουμένως το μεγαλύτερο μειονέκτημα της ΑΦΒ είναι τα ψευδώς θετικά ευρήματα που οφείλονται σε φλεγμονώδεις αλλοιώσεις και τραύματα. Οι φλεγμονώδεις αλλοιώσεις δύναται να φθορίσουν σε αποχρώσεις παρόμοιες με αυτές των προνεοπλασιών, ενώ τα τραύματα (λόγω της αιμάτωσης της περιοχής) φθορίζουν σε αποχρώσεις του κόκκινου. Το παραπάνω γεγονός έχει ως αποτέλεσμα στην περίπτωση των συστημάτων LIFE και SAFE ένα τραύμα κατά την ΑΦΒ να εμφανιστεί σαν ύποπτη περιοχή (αφού και οι ύποπτες περιοχές εμφανίζονται κόκκινο-καφέ). Βέβαια, ο βρογχοσκόπος έχει τη δυνατότητα να δει 86

87 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση ταυτόχρονα την εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και να διαγνώσει αν η καφετί περιοχή είναι τραύμα ή όχι. Στην περίπτωση όμως του συστήματος D-Light το τραύμα θα εμφανιστεί σε απόχρωση (κόκκινο) που δεν έχει σχέση με τις αποχρώσεις που εμφανίζουν οι ύποπτες περιοχές (μπλε-μωβ) με αποτέλεσμα να αποκλείονται τα τραύματα να δώσουν ψευδώς θετικό εύρημα (Εικόνα 4.5). Α. Ύποπτη περιοχή Τραύμα Β. Τραύμα Εικόνα 4.5 Α) Εικόνα ΑΦΒ από το σύστημα LIFE. Το τραύμα παρουσιάζει ίδια απόχρωση με την ύποπτη περιοχή αποτελώντας έτσι ψευδώς θετικό εύρημα. Β) Εικόνα ΑΦΒ από το σύστημα D-Light. Το τραύμα εμφανίζεται κόκκινο, διαφορετικό από την ύποπτη (κυκλωμένη) περιοχή της εικόνας 4.4, και έτσι δεν αποτελεί ψευδώς θετικό εύρημα 87

88 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση 4.4 Κλινική αξιολόγηση της χρήσης αυτοφθορισμού Οι περισσότερες από τις δημοσιευμένες κλινικές μελέτες [6], [7], [8], [9], [10] πάνω στην αυτοφθορίζουσα βρογχοσκόπηση αφορούν το LIFE σύστημα. Στην πλειοψηφία τους η κοινή βρογχοσκόπηση προηγείται της αυτοφθορίζουσας και από τις παθολογικές περιοχές που εντοπίζονται από την κάθε μέθοδο λαμβάνονται βιοψίες. Οι μεγαλύτερες μελέτες που αφορούν το LIFE σύστημα αναφέρουν μια αύξηση της ευαισθησίας στον εντοπισμό δυσπλασίας και CIS κατά 1,5-6,3 φορές σε σύγκριση με την κοινή βρογχοσκόπηση [6], [7], [8], [9], [10]. Μια από τις σημαντικότερες κλινικές αξιολογήσεις του συστήματος LIFE είναι αυτή του Lam et al. (1998) [6] όπου εξετάστηκαν 173 άτομα και έγινε λήψη 700 βιοψιών με ταυτόχρονη βρογχοσκόπηση λευκού φωτός και αυτοφθορισμού. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής αναφέρουν αύξηση της ευαισθησίας του συστήματος όταν χρησιμοποιείται αυτοφθορισμός κατά 2,7 φόρες (σε σύγκριση με την κοινή βρογχοσκόπηση). Ωστόσο κατά τη χρησιμοποίηση αυτοφθορισμού εμφανίστηκαν πολλά ψευδώς θετικά ευρήματα, της τάξης του 34%. Το 2005 δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Thorax από τους Haubinger et al [11] η μεγαλύτερη πολυκεντρική κλινική μελέτη όσον αφορά την αξιολόγηση της ΑΦΒ στον εντοπισμό προνεοπλασιών σε σχέση με την κοινή βρογχοσκόπηση. Διενεργήθηκε σε διάφορες χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης και διήρκησε 4 χρόνια. Χρησιμοποιώντας το σύστημα ΑΦΒ D-Light της Karl-Storz εξετάσθηκαν συνολικά 1173 ασθενείς και συγκεντρώθηκαν 2907 βιοψίες (τόσο σε κοινή όσο και σε ΑΦ βρογχοσκόπηση). Ορισμένα από τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής δίνονται στον πίνακα 4.3. Είναι χαρακτηριστικό ότι και σε αυτή τη μελέτη παρατηρήθηκε αύξηση της ευαισθησίας στον εντοπισμό προνεοπλασματικών ευρημάτων σε σύγκριση με την κοινή βρογχοσκόπηση, δεδομένο που αποδεικνύει τη σημασία της ΑΦΒ στην πρώιμη ανίχνευση του καρκίνου. Εντούτοις και η συγκεκριμένη μελέτη αναδεικνύει σε μείζον πρόβλημα το υψηλό ποσοστό (30%) εμφάνισης ψευδώς θετικών ευρημάτων. 88

89 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση Πίνακας 4.3 Αποτελέσματα των 2 μεγαλύτερων κλινικών μελετών στον εντοπισμό προνεοπλασιών με χρήση ΑΦΒ Συγγραφέας Χρονιά Δημοσίευσης Σύστημα Πλήθος Ασθενών Πλήθος Βιοψιών Είδος Αναφορά Βρογχοσκόπησης Ευαισθησία Ποσοστό Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων Lam et al [6] LIFE ΛΦΒ 25% 10% ΑΦΒ 67% 34% Haubinger et al [7] D- LIGHT ΛΦΒ 57.9% 37% ΑΦΒ 82.3% 30% ΛΦΒ: Λευκού φωτός βρογχοσκόπηση ΑΦΒ: Αυτοφθορίζουσα βρογχοσκόπηση Ευαισθησία (Sensitivity): Η ευαισθησία μιας διαγνωστικής μεθόδου περιγράφει την πιθανότητα η μέθοδος να δώσει θετικό εύρημα όταν ο ασθενής πράγματι νοσεί.. 89

90 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση 4.5 Βιβλιογραφία [1] Ε. Πασσαλίδου, Η μέθοδος του αυτοφθορισμού στην πρώιμη διάγνωση του καρκίνου του πνεύμονα, Επεμβατική Πνευμονολογία, Εκδόσεις της Ελληνικής Πνευμονολογικής Εταιρίας, σελ , Αθήνα, 2001 [2] Ε. Πασσαλίδου, Πρώιμη διάγνωση του καρκίνου του πνεύμονα με τη φθορίζουσα βρογχοσκόπηση, Πνεύμων, Τόμος 15, Τεύχος 3, σελ , Σεπτέμβριος- Δεκέμβριος 2002 [3] G. Sutedja, New techniques for early detection of lung cancer, European Respiratory Journal, vol. 21, pp , Jan [4] F. J. F. Herth, A. Ernst, H. D. Becker, Autofluorescence Bronchoscopy A Comparison of Two Systems (LIFE and D-Light), Respitation, vol. 70, pp , 2003 [5] PENTAX, Video Autofluorescence Bronchoscopy SAFE Breathe easily, [6] S. Lam, T. Kennedy, M. Unger, Y. E. Miller, D. Gelmont, V. Rusch, B. Gipe, D. Howard, J. C. LeRiche, A Coldman and A. F. Gazdar, Localization of Bronchial Intraepithelial Neoplastic Lesions by Fluorescence Bronchoscopy, Chest, vol. 113, pp , Mar [7] B. J. W. Venmans, T. J. M. van Boxem, E. T. F. Smit, P. E. Postmus and T. G. Sutedja, Results of two years experience with fluorescence bronchoscopy in detection of preinvasive bronchial neoplasia, Diagnostic and Therapeutic Endoscopy, vol. 5, pp.77-84, 1999 [8] S. Lam, C. MacAulay, J. C. leriche and B. Palcic, Detection and localization of early lung cancer by fluorescence bronchoscopy, Cancer Supplements, vol. 89, pp , Nov [9] M. Sato, A. Sakurada, M. Sagawa, M. Minowa, H. Takahashi, T. Oyaizu, Y. Okada, Y. Matsumura, T. Tanita and T. Kondo, Diagnostic results before and after introduction of autofluorescence bronchoscopy in patients suspected of having lung cancer detected by sputum cytology in lung cancer mass screening, Lung Cancer, vol. 32, pp ,

91 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση [10] N. Ikeda, T. Hiyoshi, M. Kakihana, H. Honda, Y. Kato, T. Okunaka, K. Furukawa, T. Tsuchida, H. Kato and Y. Ebihara, Histopathological evaluation of fluorescence bronchoscopy using resected lungs in cases of lung cancer, Lung Cancer, vol. 41, pp , Mar [11] K. Haubinger, H. Becker, F. Stanzel, A. Kreuzer, B. Schmidt, J. Strausz, S. Cavaliere, F. Herth, M. Kohlhaufl, K. M. Muller, R. M. Huber, U. Pichlmeier and Ch. T. Bolliger, Autofluorescence bronchoscopy with white light bronchoscopy compared with white light bronchoscopy alone for the detection of precancerous lesions: a European randomised controlled multicentre trial, Thorax, vol. 60, pp , Jun

92 Κεφάλαιο 4 Αυτοφθορίζουσα Βρογχοσκόπηση 92

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά 5.1 Εισαγωγή Παρά τη δυναμική της, η μέθοδος της ΑΦΒ εμφανίζει ένα σημαντικό μειονέκτημα: το υψηλό ποσοστό εμφάνισης ψευδώς θετικών ευρημάτων (ΨΘΕ) (βλ. κεφάλαιο 4). Το μειονέκτημα αυτό δημιουργεί τα εξής δύο προβλήματα: α) Χρονική παράταση της εξέτασης (επειδή ο βρογχοσκόπος πρέπει να αξιολογήσει προσεκτικά τα ευρήματα) με αποτέλεσμα την επιβάρυνση του ασθενούς. β) Λήψη περιττών βιοψιών με αποτέλεσμα να αυξάνεται το ιατρικό κόστος. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ψηφιακή ανάλυση και επεξεργασία βρογχοσκοπικών εικόνων και βίντεο ΑΦΒ με στόχο την ταξινόμηση περιοχών παθολογικού φθορισμού έτσι ώστε να πετύχουμε τη μείωση των ψευδώς θετικών ευρημάτων, τη βελτίωση της ευαισθησίας και ειδικότητας του συστήματος και τελικά να βοηθήσουμε τους βρογχοσκόπους να οδηγηθούν σε ακριβέστερη και καλύτερη διάγνωση. Πολύ λίγες εργασίες που στοχεύουν στη βελτίωση της ευαισθησίας (sensitivity) και της ειδικότητας (specificity) της ΑΦΒ έχουν δημοσιευθεί μέχρι σήμερα. Αυτές αναφέρουν ορισμένες επιπρόσθετες τεχνικές που μπορούν να συνδυαστούν με την απεικόνιση του αυτοφθορισμού για να βελτιώσουν την απόδοση του συστήματος. Η δια-ενδοσκοπική οπτική φασματοσκοπία αναφέρθηκε πρόσφατα από τους Bard et al [1], Kusunoki et al [2], Zeng et al [3] και Tercelj et al [4]. Οι ερευνητικές ομάδες των Bard και Kusunoki, με σκοπό τη βελτίωση του συστήματος ΑΦΒ, μέτρησαν το φάσμα αυτοφθορισμού και το συντελεστή ανάκλασης της εκπομπής διέγερσης κατά τη διάρκεια της εξέτασης. Για να το πετύχουν αυτό χρησιμοποίησαν μια οπτική ίνα που παρεμβλήθηκε στο κανάλι βιοψιών του βιντεοβρογχοσκοπίου και την οποία έφεραν σε επαφή με τον βρογχικό βλεννογόνο. 93

94 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά Εντούτοις, αυτή η διαδικασία ορισμένες φορές τραυμάτιζε τον ιστό και προκαλούσε αιμορραγία. Σε αντίθεση με το παραπάνω σύστημα, οι Zeng et al [3] και Tercelj et al [4] χρησιμοποίησαν ένα σύστημα μέτρησης φασμάτων χωρίς την ανάγκη επαφής με τον ιστό, οδηγώντας την επιστροφή της εικόνας του βρογχοσκοπίου σε φασματόμετρο. Εντούτοις, αυτές οι τεχνικές απαιτούν πρόσθετο εξοπλισμό, παρατείνουν τη βρογχοσκοπική εξέταση και είναι ακόμα μακριά από την ενσωμάτωσή τους στα εμπορικά συστήματα. Μια διαφορετική προσέγγιση για την βελτίωση της ειδικότητας της ΑΦΒ παρουσιάστηκε από τους Goujon et al [5] και Qu et al [6]. Αυτές οι ομάδες χρησιμοποίησαν αλγόριθμους ανάλυσης εικόνας σε μη πραγματικό χρόνο για να μετρήσουν το φασματικό περιεχόμενο των εικόνων ΑΦΒ με σκοπό την εύρεση ψευδώς θετικών δειγμάτων, αλλά τελικά είχαν περιορισμένη επιτυχία. Παρόμοια έρευνα πραγματοποιείται στο Εργαστήριο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας του Ε.Μ.Π. από το Ο Δρ. Νικόλαος Αποστόλου στα πλαίσια της διδακτορικής του διατριβής συνεργάστηκε με το Γενικό Νοσοκομείο Νοσημάτων Θώρακος Αθηνών Η ΣΩΤΗΡΙΑ για την ανάλυση και επεξεργασία εικόνων φθορίζουσας βρογχοσκόπησης του συστήματος D-Light (Karl Storz) με χρήση εξωγενώς χορηγούμενου φωτοευαισθητοποιού ουσίας (εξωγενής φθορισμός). Εν συνεχεία επήλθε συνεργασία με τη Μονάδα Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Σισμανόγλειου Γ.Ν.Α. Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την έρευνα που διεξήχθη σε συνεργασία με το Σισμανόγλειο Γ.Ν.Α και τα αποτελέσματα αυτής. Στη Μονάδα Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Γενικού Νοσοκομείου Αττικής Σισμανόγλειο χρησιμοποιείται από τον Ιανουάριο του 2006 το τελευταίας γενιάς σύστημα βιντεοβρογχοσκόπησης της Karl Storz. Αυτό αποτελείται από το ανανεωμένο σύστημα ΑΦΒ D-Light (3 rd edition) και το σύστημα καταγραφής AIDA, ένα πλήρες πληροφοριακό σύστημα βρογχοσκοπήσεων. Το σύστημα AIDA δημιουργεί για κάθε ασθενή ψηφιακό ιατρικό φάκελο στον οποίο μπορούν να προστεθούν στοιχεία όπως το ιστορικό του ασθενούς και αποτελέσματα βιοψιών, και καταγράφει τη βρογχοσκόπηση σε ψηφιακό βίντεο μορφής MPEG και εικόνες τύπου BMP. Υπεύθυνη της Μονάδας είναι η Δρ. Ελισάβετ Πασσαλίδου, η οποία μέχρι στιγμής έχει οργανώσει μια πλήρη βάση δεδομένων με πάνω από 50 περιστατικά. 94

95 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά 5.2 Κλινικά περιστατικά Σε συνεργασία με τη Δρ. Ελισάβετ Πασσαλίδου αποφασίστηκε να μελετηθούν 10 περιστατικά εγγενούς αυτοφθορισμού. Από αυτά, 3 αφορούν ασθενείς που δεν παρουσίασαν καμία παθογένεια (περιπτώσεις φυσιολογικού βλεννογόνου), 3 ασθενείς που εμφάνισαν παθολογικό αυτοφθορισμό και από τις βιοψίες διεγνώσθη κακοήθεια (1 περίπτωση carcinoma in situ, 1 περίπτωση επιθετικού καρκινώματος και μία καρκίνου σε προχωρημένο στάδιο περιπτώσεις καρκίνου) και 4 ασθενείς που εμφάνισαν φλεγμονώδεις αλλοιώσεις στον βρογχικό βλεννογόνο (περιπτώσεις φλεγμονής). Από τα τελευταία, τα 3 περιστατικά αποτελούν χαρακτηριστικές περιπτώσεις εμφάνισης ψευδώς θετικών ευρημάτων (ΨΘΕ) καθώς οι ύποπτες περιοχές εμφάνισαν παθολογικό αυτοφθορισμό. Η γιατρός επέλεξε για ανάλυση τα συγκεκριμένα περιστατικά από τη βάση δεδομένων της Μονάδας Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης, διότι αυτά αποτελούν τα πιο αντιπροσωπευτικά δείγματα για κάθε κατηγορία. Από τη βάση αυτή, για κάθε ένα περιστατικό συγκεντρώθηκαν: βρογχοσκοπικές εικόνες, το βρογχοσκοπικό βίντεο κάθε εξέτασης και τα αποτελέσματα των βιοψιών (Διάγραμμα 5.1). Διάγραμμα 5.1 Κλινικά δεδομένα που συγκεντρώθηκαν από τη βάση δεδομένων της Μονάδας Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Σισμανόγλειου Γ.Ν.Α. 95

96 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά 5.3 Παρουσίαση του προβλήματος και των κλινικών περιστατικών Κατά τη διάρκεια της εξέτασης, η εμφάνιση ΨΘΕ δημιουργεί στους βρογχοσκόπους δύο μείζονος σημασίας προβλήματα/ερωτήματα. α) Σε ΠΟΙΕΣ από τις περιοχές που εμφανίζουν παθολογικό αυτοφθορισμό είναι αναγκαία η λήψη βιοψίας; β) ΠΟΥ πρέπει να εκτελεσθεί η λήψη βιοψίας όταν η περιοχή παρουσιάζει έντονο παθολογικό αυτοφθορισμό; Τα παραπάνω ερωτήματα είναι ζωτικής σημασία αν αναλογισθεί κανείς ότι ο βρογχοσκόπος έχει συγκεκριμένο χρόνο για τη διενέργεια της εξέτασης και δύναται να λάβει περιορισμένο πλήθος βιοψιών. Αν πράγματι η περιοχή παρουσιάζει κακοήθη παθογένεια τότε φυσικά η βιοψία είναι απαραίτητη, αν όμως ο παθολογικός αυτοφθορισμός αποτελεί ψευδώς θετικό εύρημα τότε η βιοψία είναι περιττή και οδηγεί σε απώλεια πολύτιμου χρόνου. Αν συνυπολογιστεί και το γεγονός ότι στις περισσότερες περιπτώσεις που υπάρχει κάποια παθογένεια (είτε καλοήθης είτε κακοήθης), οι περιοχές που παρουσιάζουν παθολογικό αυτοφθορισμό είναι αρκετές, μπορούμε να αντιληφθούμε πόσο σημαντική είναι και η λήψη ακριβούς βιοψίας. Οι έμπειροι βρογχοσκόποι, σε συνδυασμό με την κοινή βρογχοσκόπηση, είναι σε θέση να κρίνουν πού και πώς είναι ορθότερο να ληφθεί η βιοψία. Εντούτοις, η εμφάνιση ΨΘΕ δυσχεραίνει το έργο τους. Για την καλύτερη αντίληψη του προβλήματος, παρακάτω παρατίθενται βρογχοσκοπικές εικόνες (κοινής και ΑΦ βρογχοσκόπησης) από τα περιστατικά τα οποία συλλέξαμε από τη βάση δεδομένων της Μονάδας Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Σισμανογλείου Γ.Ν.Α. Μπορεί κανείς να συγκρίνει τις παρακάτω εικόνες με εικόνες κοινής βρογχοσκόπησης που παρουσιάζουν δείγματα φυσιολογικού, φλεγμονώδους και κακοήθους βλεννογόνου (βλ. παράγραφο 2.5) και με εικόνες ΑΦΒ του συστήματος D-Light που παρουσιάζουν ύποπτες περιοχές (βλ. παράγραφο 4.3). Υπενθυμίζεται σε αυτό το σημείο ότι με το σύστημα ΑΦΒ D-Light οι ύποπτες περιοχές εμφανίζονται σε μπλε-μωβ απόχρωση ενώ ο φυσιολογικός βλεννογόνος με πράσινη. Στην εικόνα 5.1 παρουσιάζονται εικόνες ΑΦΒ από φυσιολογικό βλεννογόνο (περιστατικά Φυσιολογικού Βλεννογόνου (ΦΒ) 1 και 2) Το σύνολο της περιοχής φθορίζει σε πράσινη απόχρωση, χαρακτηριστικό φυσιολογικού βλεννογόνου. 96

97 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά Εικόνα 5.1 Εικόνες ΑΦΒ από φυσιολογικό βλεννογόνο Στην εικόνα 5.2 απεικονίζεται μια διογκωμένη δευτερεύουσα τρόπιδα (κυκλωμένη περιοχή). Σύμφωνα με την παράγραφο 2.5 αυτή η ένδειξη δύναται να σημαίνει ύπαρξη φλεγμονής (βρογχίτιδα) ή καρκινώματος. Σε ΑΦΒ η περιοχή της τρόπιδας φθορίζει σε διάφορες σκούρες αποχρώσεις κυρίως χρώματος μωβ, γεγονός που μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι μάλλον πρόκειται για ύπαρξη κακοήθειας (βλ. παράγραφο 4.3). Βιοψία στο κέντρο της τρόπιδας έδειξε φλεγμονή. Πρόκειται για περιστατικό ψευδώς θετικού ευρήματος (περιστατικό Φλεγμονωδών Αλλοιώσεων (ΦΑ) 2). (α) (β) Εικόνα 5.2 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή φλεγμονής (κυκλωμένη περιοχή) - Περιστατικό ΦΑ 2 97

98 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά Στην εικόνα 5.3 (α), στην κοινή βρογχοσκόπηση απεικονίζεται ένα ογκίδιο που αποφράσσει το πέρας του βρόγχου (κυκλωμένη περιοχή). Σε κοινή βρογχοσκόπηση παρόμοια εικόνα παρουσιάζει ο επιθετικός καρκίνος. Σε ΑΦΒ (Εικόνα 5.3 (β)) σχεδόν όλη η εικόνα παρουσιάζει μπλε απόχρωση, υποδεικνύοντας ότι πρόκειται για περίπτωση κακοήθειας. Η εικόνα 5.3 (γ) παρουσιάζει μια άλλη περιοχή του βρογχικού δέντρου από το συγκεκριμένο περιστατικό, όπου φαίνεται χαρακτηριστικά ο έντονος μπλε αυτοφθορισμός. Η βιοψία όμως έδειξε καλοήθη πνευμονικό όζο γεγονός που κατατάσσει το συγκεκριμένο περιστατικό σε μια ακόμα περίπτωση ΨΘΕ. Το συγκεκριμένο περιστατικό (περιστατικό ΦΑ 1) αποτελεί μια από τις πιο αντιπροσωπευτικές περιπτώσεις ΨΘΕ. (α) (β) (γ) Εικόνα 5.3 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β), (γ) εικόνες ΑΦΒ από περιοχές φλεγμονής (κυκλωμένες περιοχές) - Περιστατικό ΦΑ 1 98

99 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά Στην εικόνα 5.4 παρουσιάζεται μια διογκωμένη δευτερεύουσα τρόπιδα (κυκλωμένη περιοχή). Αποτελεί παρόμοιο περιστατικό με το περιστατικό ΦΑ 2 (Εικόνα 5.2). Αν και όλο το υπόλοιπο βρογχικό δέντρο του ασθενούς έδειχνε απόλυτα υγιές (ακόμα και η ίδια η τρόπιδα πέρα από τη διόγκωσή της, εμφανίζει φυσιολογικά τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά της) και σύμφωνα με τα αποτελέσματα του περιστατικού ΦΑ 2 θα μπορούσαμε να συμπεράνουμε ότι πρόκειται για άλλη μια περίπτωση ΨΘΕ, στη συγκεκριμένη περίπτωση ανιχνεύθηκε καρκίνωμα in situ. Το συγκεκριμένο περιστατικό αποτελεί ένα από τα περιστατικά όπου ο καρκίνος ανιχνεύεται σε πολύ πρώιμο στάδιο, και μία από τις περιπτώσεις όπου αναδεικνύεται η δυναμική της ΑΦΒ. Είναι χαρακτηριστικό ότι ακόμα και ένας βρογχοσκόπος, σε κοινή βρογχοσκόπηση ίσως να μην έδινε τη δέουσα σημασία στο συγκεκριμένο εύρημα καθώς το φυσιολογικό του υπόλοιπου βρογχικού δέντρου μπορεί εύκολα να οδηγήσει στην εκτίμηση ότι δεν υπάρχει κάτι το σοβαρό (περιστατικό Καρκίνου (ΚΑ) 1). (α) (β) Εικόνα 5.4 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή (κυκλωμένη) κακοήθειας (carcinoma in situ) - Περιστατικό ΚΑ 1 Στην εικόνα 5.5 έχουμε την περίπτωση μιας ελαφρώς διογκωμένης τρόπιδας. Σε ΑΦΒ, αν και δεν είναι απόλυτα σαφές, δεν φαίνεται να υπάρχουν αποχρώσεις του μπλε ή του μωβ. Πράγματι η συγκεκριμένη περίπτωση αφορά μια ελαφρά φλεγμονή (περιστατικό ΦΑ 3). 99

100 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά (α) (β) Εικόνα 5.5 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή φλεγμονής (κυκλωμένη περιοχή) - Περιστατικό ΦΑ 3 Στην εικόνα 5.6 παρουσιάζεται η διόγκωση και η ημι-απόφραξη ενός βρόγχου. Η εικόνα σε κοινή βρογχοσκόπηση εμφανίζει ομοιότητες τόσο με την ενεργό φυματίωση, όσο και με την ύπαρξη καρκινώματος (βλ. παράγραφο 2.4). Σε ΑΦΒ όμως η περιοχή διόγκωσης παρουσιάζει έντονη μωβ απόχρωση. Όπως λογικά θα περιμέναμε από τις ενδείξεις της ΑΦΒ, πρόκειται για περίπτωση καρκίνου (περιστατικό ΚΑ 3). (α) (β) Εικόνα 5.6 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή (κυκλωμένη) κακοήθειας (καρκίνος σε προχωρημένο στάδιο) - Περιστατικό ΚΑ 3 100

101 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά Στην εικόνα 5.7 εμφανίζεται ένα μικρό εξόγκωμα στα πλάγια του βλεννογόνου. Σε κοινή βρογχοσκόπηση παρόμοια ένδειξη εμφανίζει το καρκίνωμα in situ (βλ. παράγραφο 2.5). Σε ΑΦΒ, οι αποχρώσεις που εμφανίζονται στην ύποπτη περιοχή (κυκλωμένη) είναι παρόμοιες με τις αποχρώσεις που εμφανίζονται στην κυκλωμένη περιοχή του περιστατικού φλεγμονής ΦΑ2 (Εικόνα 5.2). Η βιοψία τελικά έδειξε επιθετικό καρκίνωμα (περιστατικό ΚΑ 2). (α) (β) Εικόνα 5.7 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή (κυκλωμένη) κακοήθειας (επιθετικό καρκίνωμα) - Περιστατικό ΚΑ 2 Στην εικόνα 5.8, σε κοινή βρογχοσκόπηση εμφανίζεται στα πλάγια του βρόγχου έντονη διόγκωση. Το συγκεκριμένο εύρημα μπορεί να συγκριθεί τόσο με την περίπτωση καρκινώματος in situ όσο και με την προηγούμενη περίπτωση του περιστατικού ΚΑ 2 (Εικόνα 5.7α). Σε ΑΦΒ όμως οι ενδείξεις είναι σαφείς. Το εύρημα δεν παρουσιάζει καμία παθογένεια, αφού εμφανίζει έντονη πράσινη απόχρωση. Ένα περιστατικό που αναδεικνύει την δυναμική της ΑΦΒ (περιστατικό ΦΒ 3). 101

102 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά (α) (β) Εικόνα 5.8 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης από ύποπτη περιοχή (κυκλωμένη περιοχή). (β) Εικόνα ΑΦΒ από την ίδια περιοχή. Από την εικόνα ΑΦΒ γίνεται σαφές ότι η περιοχή είναι φυσιολογική - Περιστατικό ΦΒ 3 Στην εικόνα 5.9 απεικονίζεται μια διογκωμένη δευτερεύουσα τρόπιδα (κυκλωμένη περιοχή). Το περιστατικό αυτό παρουσιάζει όμοια χαρακτηριστικά με το περιστατικό ΚΑ 1 (βλ. εικόνα 5.4) τόσο σε κοινή όσο και σε αυτοφθορίζουσα βρογχοσκόπηση, γεγονός που μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι πολύ πιθανό να αποτελεί άλλο ένα περιστατικό καρκίνου. Ωστόσο η βιοψία έδειξε φλεγμονή, με αποτέλεσμα το συγκεκριμένο περιστατικό να αποτελεί μια ακόμα περίπτωση εμφάνισης ψευδώς θετικών ευρημάτων (περιστατικό ΦΑ 4). (α) (β) Εικόνα 5.9 (α) Εικόνα κοινής βρογχοσκόπησης και (β) εικόνα ΑΦΒ από περιοχή φλεγμονής (κυκλωμένη περιοχή) - Περιστατικό ΦΑ 4 102

103 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά Από τα παραπάνω περιστατικά είναι εύκολο κανείς να διαπιστώσει πόσο σημαντική είναι η εφαρμογή της ΑΦΒ για την πρώιμη ανίχνευση καρκίνου του πνεύμονα αλλά και πόσο σοβαρό είναι το πρόβλημα των ψευδώς θετικών ευρημάτων. Σε αυτό το σημείο οφείλουμε να επισημάνουμε ότι τα παραπάνω περιστατικά αποτελούν τα πλέον αντιπροσωπευτικά κάθε κατηγορίας που μελετούμε. Περιπτώσεις απλών φλεγμονών ή καρκίνων σε τελικά στάδια ΙΙΙ ή IV, που είναι ευδιάκριτες ακόμα και με την κοινή βρογχοσκόπηση δεν αποτελούν στοιχείο της έρευνάς μας και δεν παρουσιάζονται στην συγκεκριμένη εργασία. 5.4 Ο ρόλος της βιοϊατρικής έρευνας στην αντιμετώπιση του προβλήματος Η έρευνα που διεξάγεται για την αντιμετώπιση του συγκεκριμένου προβλήματος και τη διευκόλυνση των βρογχοσκόπων να ξεπεράσουν τα παραπάνω εμπόδια και να οδηγηθούν σε ασφαλέστερη διάγνωση εστιάζεται σε 2 σημεία: α) Στην ανίχνευση των ψευδώς θετικών ευρημάτων και το διαχωρισμό τους από τον καρκίνο. β) Στον ακριβέστερο εντοπισμό των περιοχών κακοήθειας. Όσον αφορά το πρώτο ζήτημα, στην πραγματικότητα αυτό ανάγεται στον διαχωρισμό περιοχών κακοήθειας και φλεγμονής. Όπως έχει ήδη αναφερθεί (βλ. παράγραφο 4.3) και όπως είδαμε στα παραπάνω περιστατικά, το σύστημα ΑΦΒ D-Light αντιμετωπίζει θέματα ΨΘΕ κυρίως σε περιπτώσεις φλεγμονωδών αλλοιώσεων. Επομένως το θέμα το οποίο προκύπτει είναι να επιτευχθεί καλύτερη ταξινόμηση των περιοχών παθολογικού φθορισμού σε περιοχές κακοήθειας και φλεγμονής. Τελικός στόχος της έρευνας είναι να επιβοηθήσει υπολογιστικά (CAD Computer Aided Diagnosis) τον βρογχοσκόπο στην ανίχνευση ύποπτων περιοχών που μπορεί να διαφύγουν από την παρατήρησή του, στο διαχωρισμό αληθινών και ψευδώς θετικών ευρημάτων και στην ανάδειξη μιας πιο εντοπισμένης περιοχής κακοήθειας για τη λήψη ακριβέστερης βιοψίας. 103

104 Κεφάλαιο 5 Το Πρόβλημα των Ψευδώς Θετικών Ευρημάτων στην ΑΦΒ - Κλινικά Περιστατικά 5.5 Βιβλιογραφία [1] M. R. L. Bard, A. Amelink, M. Skurichina, M. den Bakker, S. A. Burgers, J. P. van Meerbeck, R. P. W. Duin, J. Aerts, H. C. Hoogsteden and H. Sterenborg, Improving the specificity of fluorescence bronchoscopy for the analysis of neoplastic lesions of the bronchial tree by combination with optical spectroscopy: preliminary communication, Lung Cancer, vol. 47, pp , Jan [2] Y. Kusunoki, F. Imamura, H. Uda, M. Mano and T. Horai, Early detection of lung cancer with laser-induced fluorescence endoscopy and spectrofluorometry, Chest, vol. 118, pp , Jun [3] H. Zeng, M. Petek, M. T. Zorman, A. McWilliams, B. Palcic and S. Lam, Integrated endoscopy system for simultaneous imaging and spectroscopy for early lung cancer detection, Optics Letters, vol. 29, pp , Jun [4] M. Tercelj, H. Zeng, M. Petek, T. Rott and B. Palcic, Acquisition of fluorescence and reflectance spectra during routine bronchoscopy examinations using the ClearVu Elite(TM) device: Pilot study, Lung Cancer, vol. 50, pp , Jan [5] D. Goujon, M. Zellweger, A. Radu, B. C. Weber, H. van den Bergh, P. Monnier and G. Wagnieres, In vivo autofluorescence imaging of early cancers in the human tracheobronchial tree with a spectrally optimized system, Journal of Biomedical Optics, vol. 8, pp , Jan [6] J. Qu, H. Chang and S. Xiong, Light induced fluorescence imaging of tissue using the multivariate statistical analysis, Spie's BIOS 2002, Technical summary digest 79,

105 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων 6.1 Συγκέντρωση και διαλογή Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο συγκεντρώθηκαν από τη βάση της Μονάδας Laser και Φθορίζουσας Βρογχοσκόπησης του Σισμανόγλειου Γ.Ν.Α. βρογχοσκοπικές εικόνες και βίντεο από 10 περιστατικά (βλ. παράγραφο 5.2). Οι βρογχοσκοπικές εικόνες δεν ήταν αρκετές σε πλήθος (10-20 ανά ασθενή) διότι ο βρογχοσκόπος κατά τη διάρκεια της εξέτασης συλλαμβάνει λίγες εικόνες από τις περιοχές ενδιαφέροντος, αυτές που στη συνέχεια επισυνάπτει στον ιατρικό φάκελο του ασθενούς. Είναι όμως οι πλέον ενδεικτικές για τις περιοχές που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για τον πνευμονολόγο. Για να αναλύσουμε μεγαλύτερο όγκο εικόνων, έγινε εξαγωγή πλαισίων MPEG (frames) από τα ψηφιακά βρογχοσκοπικά βίντεο στα σημεία που εμφανίζονται οι περιοχές ενδιαφέροντος. Χρησιμοποιήθηκε ο αποκωδικοποιητής video ffdshow [1] για την εξαγωγή εικόνων από κάθε βίντεο. Επιλέχθηκε ο συγκεκριμένος αποκωδικοποιητής καθώς στην κοινότητα ανοικτού λογισμικού θεωρείται ένας από τους καλύτερους «ανοικτούς» αποκωδικοποιητές video. Σε ένα σήμα (bit-stream) MPEG υπάρχουν τριών ειδών πλαίσια [2]: Ι (Intra frames): Τα πλαίσια τύπου Ι είναι τα μόνα που είναι κωδικοποιημένα στο σύνολό τους και η αποκωδικοποίηση μπορεί να γίνει χωρίς αναφορά σε κάποιο άλλο. Είναι κατά συνέπεια τα μεγαλύτερα σε μήκος και αποτελούν σημεία αναφοράς κατά την τυχαία προσπέλαση ενός σήματος. P (Predicted frames): Τα πλαίσια τύπου P είναι βασισμένα σε ένα προηγούμενο I ή P πλαίσιο. Δεν έχουν το μέγεθος των I πλαισίων γιατί 105

106 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων δεν έχουν περιγραφτεί με την ίδια ακρίβεια, δηλαδή παρουσιάζουν μεγαλύτερο ποσοστό συμπίεσης. B (Bi-directional frames): Τα πλαίσια τύπου B είναι πλαίσια που δημιουργούνται λαμβάνοντας τον μέσο όρο σε επίπεδο macroblock ενός προηγούμενου και ενός επόμενου πλαισίου Ι και P (ένα από το κάθε είδος). Λόγω της παραπάνω διαμόρφωσης του σήματος MPEG, για να πετύχουμε την καλύτερη ποιότητα, επιλέχθηκαν κυρίως πλαίσια τύπου I για εξαγωγή σε εικόνες. Σε αυτό το σημείο χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα VirtuaDub για τον εντοπισμό των πλαισίων I. Υπό την καθοδήγηση της υπεύθυνης γιατρού διαγράφτηκαν οι εικόνες που δεν είχαν κάποια διαγνωστική αξία (όπως κινούμενα frames, θολά frames ή εικόνες που εστίαζαν σε κάποια περιοχή χωρίς ενδιαφέρον) με αποτέλεσμα την τελική συγκέντρωση 780 βρογχοσκοπικών εικόνων. Κατά τη διαδικασία της τελικής διαλογής δόθηκε ιδιαίτερη σημασία στο να επιλεχθούν εικόνες στις οποίες οι ενδιαφέρουσες προς μελέτη περιοχές εμφανίζονται: καθαρά από διαφορετικές γωνίες, και από διαφορετικές αποστάσεις Από το τελικό πλήθος των 780 εικόνων: 259 αφορούν περιοχές φυσιολογικού βλεννογόνου (ΦΒ) 241 αφορούν περιστατικά καρκίνου (ΚΑ), και 280 αφορούν φλεγμονώδεις αλλοιώσεις (ΦΑ) Στον πίνακα 6.1 παρουσιάζεται το σύνολο των εικόνων ΑΦΒ που χρησιμοποιήθηκαν από κάθε περιστατικό. 106

107 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Πίνακας 6.1 Πλήθος εικόνων ΑΦΒ ανά περιστατικό Περιστατικά καρκίνου Περιστατικά φλεγμονής Περιστατικά υγιούς βλεννογόνου Περιστατικό Πλήθος εικόνων ΚΑ1 ΚΑ2 ΚΑ3 ΦΒ1 ΦΒ2 ΦΒ3 ΦΒ4 ΦΑ1 ΦΑ2 ΦΑ Σύνολο Σε αυτό το σημείο οφείλουμε να τονίσουμε πως το υλικό που είχαμε στη διάθεσή μας και αφορούσε τα περιστατικά ΚΑ3, ΦΒ3 και ΦΒ4 δεν ήταν επαρκές για την εξαγωγή μεγαλύτερου πλήθους εικόνων ΑΦΒ. Για τον λόγο αυτό, οι εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν από τα περιστατικά αυτά είναι λιγότερες σε σχέση με τα υπόλοιπα. Από τις 780 εικόνες ΑΦΒ που συγκεντρώθηκαν, οι 600 χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση περιοχών ενδιαφέροντος με σκοπό την εξαγωγή κατάλληλων χαρακτηριστικών, με βάση τα οποία είναι δυνατή η διάκριση μεταξύ καρκίνου και φλεγμονής. Οι συγκεκριμένες εικόνες ΑΦΒ χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την κατασκευή μιας βάσης δεδομένων που περιέχει τις μετρήσεις των χαρακτηριστικών υψηλής ικανότητας κατηγοριοποίησης από τις περιοχές ενδιαφέροντος αυτών, και η οποία αξιοποιήθηκε ως βάση γνώσης για την ανάπτυξη και υλοποίηση ταξινομητών προτύπων ιστού (σύνολο εκπαίδευσης ταξινομητών). Οι υπόλοιπες 180 εικόνες ΑΦΒ αποτελούν το σύνολο γενίκευσης και αξιολόγησης των ταξινομητών προτύπων ιστού, και χρησιμοποιήθηκαν τόσο για το σχεδιασμό ορισμένων από αυτούς όσο και για την αξιολόγηση τους. Από τα 10 περιστατικά, το περιστατικό ΦΒ4 επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί εξολοκλήρου στο σύνολο γενίκευσης και αξιολόγησης, έτσι ώστε να ελεγχθεί η απόδοση του συστήματος ταξινόμησης σε άγνωστο (δεν αποτέλεσε μέρος του συνόλου εκπαίδευσης) για το σύστημα περιστατικό. Στους παρακάτω πίνακες παρατίθεται το πλήθος των εικόνων ΑΦΒ που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία του συνόλου ανάλυσης περιοχών ενδιαφέροντος και εκπαίδευσης ταξινομητών και του συνόλου γενίκευσης και αξιολόγησης αυτών. 107

108 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Πίνακας 6.2 Σύνολο ανάλυσης περιοχών ενδιαφέροντος εικόνων ΑΦΒ και εκπαίδευσης ταξινομητών προτύπων ιστού Περιστατικά καρκίνου Περιστατικά φλεγμονής Περιστατικά υγιούς βλεννογόνου Πλήθος εικόνων ΚΑ1 ΚΑ2 ΚΑ3 ΦΒ1 ΦΒ2 ΦΒ3 ΦΒ4 ΦΑ1 ΦΑ2 ΦΑ Σύνολο Πίνακας 6.3 Σύνολο γενίκευσης και αξιολόγησης ταξινομητών προτύπων ιστού Περιστατικά καρκίνου Περιστατικά φλεγμονής Περιστατικά υγιούς βλεννογόνου Περιστατικό Περιστατικό Πλήθος εικόνων ΚΑ1 ΚΑ2 ΚΑ3 ΦΒ1 ΦΒ2 ΦΒ3 ΦΒ4 ΦΑ1 ΦΑ2 ΦΑ Σύνολο Στο διάγραμμα 6.1 παρουσιάζεται η διαδικασία συγκέντρωσης, διαλογής και ταξινόμησης των εικόνων ΑΦΒ. ` 108

109 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΟΝΑΔΑΣ LASER ΚΑΙ ΦΘΟΡΙΖΟΥΣΑΣ ΒΡΟΓΧΟΣΚΟΠΗΣΗΣ ΣΙΣΜΑΝΟΓΛΕΙΟ Γ.Ν.Α. 3 ΠΕΡΙΣΤΑΤΙΚΑ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΒΛΕΝΝΟΓΟΝΟΥ 3 ΠΕΡΙΣΤΑΤΙΚΑ ΚΑΡΚΙΝΟΥ 4 ΠΕΡΙΣΤΑΤΙΚΑ ΦΛΕΓΜΟΝΩΔΩΝ ΑΛΛΟΙΩΣΕΩΝ ΒΡΟΓΧΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ ΒΡΟΓΧΟΣΚΟΠΙΚΟ ΒΙΝΤΕΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΒΙΟΨΙΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΒΙΝΤΕΟ ΥΠΟ ΤΗΝ ΚΑΘΟΔΗΓΗΣΗ ΤΗΣ ΓΙΑΤΡΟΥ, ΕΓΙΝΕ ΕΞΑΓΩΓΗ ΒΡΟΓΧΟΣΚΟΠΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΠΟΥ ΠΑΡΟΥΣΙΑΖΟΥΝ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΘΗΚΑΝ ΠΕΡΙΠΟΥ 2000 ΒΡΟΓΧΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΩΝ ΒΙΟΨΙΩΝ ΧΩΡΙΣΘΗΚΑΝ ΣΕ 3 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ. 1. ΕΙΚΟΝΕΣ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΙΣΤΟΥ 2. ΕΙΚΟΝΕΣ ΚΑΡΚΙΝΟΥ 3. ΕΙΚΟΝΕΣ ΦΛΕΓΜΟΝΗΣ ΕΠΙΛΕΧΘΗΚΑΝ ΟΙ 780 ΚΑΛΥΤΕΡΕΣ 259 ΕΙΚΟΝΕΣ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΒΛΕΝΝΟΓΟΝΟΥ 241 ΕΙΚΟΝΕΣ ΚΑΡΚΙΝΟΥ 280 ΕΙΚΟΝΕΣ ΦΛΕΓΜΟΝΩΔΩΝ ΑΛΛΟΙΩΣΕΩΝ Διάγραμμα 6.1 Διαλογή και ταξινόμηση κλινικών δεδομένων 109

110 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων 6.2 Προεπεξεργασία Το πρόβλημα του θορύβου στις εικόνες ΑΦΒ Λεπτομερής έλεγχος στις βρογχοσκοπικές εικόνες που συγκεντρώθηκαν ανέδειξε την ύπαρξη θορύβου. Ο θόρυβος αυτός παρουσιάζει 3 χαρακτηριστικά: α) εμφανίζεται σαν οριζόντιες (ή κάθετες) γραμμές β) είναι περιοδικός θόρυβος γ) εμφανίζει μεταβλητή ένταση ανά περιστατικό Ειδικά για το τελευταίο χαρακτηριστικό, είναι αξιοσημείωτο να αναφερθεί ότι υπήρχαν περιστατικά που εμφάνισαν υπερβολικό θόρυβο (Εικόνα 6.1), και περιστατικά που ήταν σχεδόν αθόρυβα (Εικόνα 6.2). Τα παραπάνω δεδομένα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο που μπορεί να προέρχεται από την ύπαρξη ηλεκτρονικών συσκευών σε κοντινή απόσταση, οι οποίες κατά τη διάρκεια της εξέτασης επηρεάζουν είτε το σύστημα βρογχοσκόπησης είτε τον υπολογιστή που καταγράφει τις εικόνες και το βίντεο. Εικόνα 6.1 Εικόνα από το περιστατικό ΦΑ 2. Ο περιοδικός θόρυβος παρουσιάζεται έντονα 110

111 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Εικόνα 6.2 Εικόνα από το περιστατικό ΚΑ 3. Υπάρχει θόρυβος στην εικόνα αλλά σε πολύ μικρότερη ένταση σε σχέση με το περιστατικό ΦΑ 2 (Εικόνα 6.1) Κρίθηκε λοιπόν αναγκαία η προεπεξεργασία των βρογχοσκοπικών εικόνων με σκοπό την αποθορυβοποίησή τους. Το στάδιο της προεπεξεργασίας είναι πολύ σημαντικό αφού ο θόρυβος μπορεί να επηρεάσει άμεσα τους αλγόριθμους επεξεργασίας εικόνας, με αποτέλεσμα να επηρεαστεί η ανάλυση σε σημαντικό βαθμό. Η εικόνα πρέπει να φιλτράρεται με τρόπο τέτοιο ώστε να μειώνεται ο θόρυβος και να εξομαλύνεται η εσωτερική υφή των αντικειμένων ενδιαφέροντος, χωρίς όμως να επηρεάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της. Για το λόγο αυτό δόθηκε ιδιαίτερη σημασία στο να επιτευχθεί η βέλτιστη αποθορυβοποίηση Μέθοδοι αποθορυβοποίησης εικόνων Για να πετύχουμε βέλτιστη αποθορυβοποίηση δοκιμάστηκαν πάρα πολλοί αλγόριθμοι αποθορυβοποίησης εικόνας (Φίλτρα Αποθορυβοποίησης) [3] όπως: Το φίλτρο Μέσης Τιμής (Mean Filter) [3] Το φίλτρο Ενδιάμεσης Τιμής (Median Filter) [3] 111

112 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Αλγόριθμοι αποθορυβοποίησης χρησιμοποιώντας μερικές διαφορικές εξισώσεις 4 ης τάξης [4] Το Υβριδικό Median Filter [5] Τα φίλτρα αποθορυβοποίησης Kuan και Lee [5] Γκαουσιανό Φίλτρο εξομάλυνσης (Gaussian Filter) [3] Τα παραπάνω φίλτρα αποτελούν ορισμένα από τα πιο γνωστά φίλτρα αποθορυβοποίησης στο χώρο. Κατά τη χωρική αποθορυβοποίηση [3], [6] το φίλτρο αντικαθιστά την τιμή κάθε pixel της εικόνας με μια νέα τιμή η οποία προκύπτει από την εφαρμογή αλγόριθμων στα γειτονικά του pixels. Για παράδειγμα το φίλτρο Median αντικαθιστά την τιμή ενός pixel με την ενδιάμεση τιμή από ένα παράθυρο pixels στη γειτονιά του. Τα παραπάνω φίλτρα αποδίδουν ικανοποιητικά σε περιπτώσεις θορύβου κανονικής κατανομής, κατανομής Gauss ή Poisson, θορύβου salt & pepper και θορύβου Speckle. Ο θόρυβος όμως που εμφανίζεται στις βρογχοσκοπικές εικόνες δεν ανήκει σε καμία από τις παραπάνω κατηγορίες. Κατά τη χρήση των παραπάνω φίλτρων ο θόρυβος όχι μόνο δεν απομακρύνθηκε αλλά αναμίχτηκε με την εικόνα με αποτέλεσμα να παρουσιαστεί έντονο θάμπωμα. Με αυτόν τον τρόπο χάθηκαν ορισμένα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των περιοχών που απεικονίζονται (όπως η διακύμανση του χρώματος σε ορισμένες περιοχές) και η ποιότητα της εικόνας υποβαθμίστηκε. Η χρήση χωρικής αποθορυβοποίησης κρίθηκε μη ικανοποιητική και γι αυτόν το λόγο δεν θα αναφερθούν περισσότερες λεπτομέρειες για τα φίλτρα αυτά (μπορούν να αναζητηθούν στις αντίστοιχες αναφορές). Για συγκριτικούς λόγους παρακάτω παρατίθεται η εικόνα 6.3 φιλτραρισμένη με το φίλτρο Gaussian. Η κακή απόδοση των φίλτρων χωρικής αποθορυβοποίησης καθώς και το γεγονός ότι ο συγκεκριμένος θόρυβος είναι περιοδικός, μας οδήγησε στο να στραφούμε σε άλλες τεχνικές αποθορυβοποίησης. Σύμφωνα με τους Gonzalez et al. [6] ο καλύτερος τρόπος αντιμετώπισης του περιοδικού θορύβου είναι η αποθορυβοποίηση στο πεδίο των συχνοτήτων. Το πεδίο των συχνοτήτων μας δίνει τις «εναλλαγές» στις τιμές της φωτεινότητας στα εικονοστοιχεία (pixels) μιας εικόνας αντί για τις ίδιες τις τιμές τους (χωρικό πεδίο). Η συγκεκριμένη τεχνική απαιτεί μετατροπή της εικόνας από το πεδίο του χώρου στο πεδίο των συχνοτήτων με χρήση του δισδιάστατου διακριτού μετασχηματισμού Fourier, εφαρμογή των φίλτρων στο πεδίο της συχνότητας και χρήση του αντίστροφου διακριτού μετασχηματισμού Fourier για την απεικόνιση του αποτελέσματος. 112

113 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Εικόνα 6.3 Η εικόνα 6.1 αποθορυβοποιημένη με χρήση του χωρικού φίλτρου Gaussian σε παράθυρο 5x5 και με παράμετρο τυπικής απόκλισης σ=2. Αν και υπάρχει μείωση του θορύβου, αυτός δεν έχει εξαλειφθεί πλήρως και έχει αναμιχθεί με την υπόλοιπη εικόνα Σύμφωνα με τους Gonzalez et al. [6] για την αντιμετώπιση του προβλήματος αρκεί η εύρεση της συχνότητας του θορύβου στην εικόνα και η αποκοπή της στο πεδίο συχνοτήτων με χρήση ζωνοπερατών φίλτρων. Δοκιμές στο πεδίο των συχνοτήτων με τη χρήση φίλτρων FFT [3] απέδωσαν καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με τα χωρικά φίλτρα. Ωστόσο παρατηρήθηκε δυσκολία στην εύρεση του κατάλληλου ζωνοπερατού φίλτρου που θα αποκόψει εντελώς το θόρυβο. Η αποτελεσματική χρήση μεθόδων αποθορυβοποίησης στο πεδίο συχνοτήτων, οδήγησε στη σκέψη να μελετηθούν οι εικόνες στο χώρο των wavelets (κυματίδια). Είναι γνωστό [6], [7] ότι η χρήση wavelets είναι πολύ αποτελεσματική για την αποθορυβοποίηση σημάτων και εικόνων. Πράγματι, και στην περίπτωση του περιοδικού θορύβου των βρογχοσκοπικών εικόνων αποδείχθηκε η καλύτερη τεχνική Εισαγωγή στα wavelets Ο μετασχηματισμός wavelet [6], [7] αναφέρεται στην αναπαράσταση ενός 113

114 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων σήματος με τη βοήθεια κάποιων συναρτήσεων που ικανοποιούν ορισμένες απαιτήσεις (ακολουθεί τη λογική του μετασχηματισμού Fourier). Το όνομα wavelets προέρχεται από την προϋπόθεση ότι οι συναρτήσεις αυτές πρέπει να είναι ορισμένου μήκους ή να φθίνουν γρήγορα στο μηδέν, «κυματίζοντας» πάνω και κάτω από τον x-άξονα. Οι συναρτήσεις αυτές επίσης θα πρέπει να είναι καλά ορισμένες. Υπάρχουν πολλών ειδών wavelets. Το πιο απλό είναι το Haar wavelet [7]. Οι βασικές συναρτήσεις wavelets (που ονομάζονται μερικές φορές και mother wavelet μητρικό wavelet), μπορούν τόσο να μετατοπιστούν παράλληλα ως προς τον x-άξονα (translations) όσο και να διασταλούν (dilations) με σκοπό την διαμόρφωση του επιθυμητού wavelet. Η ανάλυση ενός σήματος με χρήση wavelets ακολουθεί τη λογική της ανάλυσης Fourier, δηλαδή όπως τα ημίτονα και τα συνημίτονα στην ανάλυση Fourier, έτσι και τα wavelets χρησιμοποιούνται ως βασικές συναρτήσεις για να αναπαραστήσουν άλλες συναρτήσεις. Μεταξύ της ανάλυσης Fourier και των wavelets υπάρχουν ορισμένες σημαντικές διαφορές. Μία από αυτές αφορά το πλήθος των βασικών συναρτήσεων που έχουμε στη διάθεσή μας για αναπαράσταση των σημάτων. Μια δεύτερη σημαντική διαφορά είναι ότι οι βασικές συναρτήσεις Fourier εντοπίζονται στο πεδίο της συχνότητας μα όχι στο πεδίο του χρόνου. Μικρές μεταβολές στο μετασχηματισμό Fourier στο πεδίο της συχνότητας θα προκαλέσουν μεταβολές παντού στο πεδίο του χρόνου. Τα wavelets αντίθετα εντοπίζονται και στο πεδίο της συχνότητας (μέσω των διαστολών) αλλά και στο πεδίο του χρόνου (μέσω των παράλληλων μετατοπίσεων) και αυτό αποτελεί πλεονέκτημα σε πολλές περιπτώσεις. Επίσης, πολλές κατηγορίες συναρτήσεων μπορούν να αναπαρασταθούν μέσω των wavelets με πιο ακριβή τρόπο σε σχέση με την ανάλυση Fourier. Για παράδειγμα, συναρτήσεις με ασυνέχειες, σήματα που δεν είναι στατικά (stationary) και συναρτήσεις με απότομες κορυφώσεις, απαιτούν πολύ λιγότερες βασικές συναρτήσεις wavelet από ό,τι ημιτονικές- συνημιτονικές συναρτήσεις για να πετύχουν όχι μόνο συγκρίσιμη αλλά και ακριβέστερη προσέγγιση. Οι πιο διαδεδομένες εφαρμογές των wavelets είναι η συμπίεση δεδομένων και η αποθορυβοποίηση [6], [7]. Η αραιή κωδικοποίηση (sparse coding) κάνει τα wavelets πολύ εύχρηστα εργαλεία στη συμπίεση δεδομένων. Μεγάλα και θορυβώδη πακέτα δεδομένων, μπορούν εύκολα και γρήγορα να μετασχηματιστούν μέσω του διακριτού μετασχηματισμού wavelet. Τα δεδομένα κωδικοποιούνται από τους συντελεστές wavelet. Επιπλέον, το επίθετο «ταχύς» για τους μετασχηματισμούς Fourier, μπορεί να αντικατασταθεί από το «ταχύτερος» για τα wavelets. Για το μετασχηματισμό FFT (Fast Fourier Transform), η 114

115 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων πολυπλοκότητα υπολογισμού είναι O(n log2(n)), ενώ για τον FWT (Fast Wavelet Transform) είναι μόνο O(n). Έτσι, πολλά είδη επεξεργασίας δεδομένων μπορούν να γίνουν με χρήση των συναρτήσεων wavelets. Παρακάτω θα αναλυθεί μια από τις πιο διαδεδομένες εφαρμογές των wavelets (και αυτή που μας ενδιαφέρει στην παρούσα εργασία): η αποθορυβοποίηση εικόνων. Περισσότερες λεπτομέρειες για τη θεωρία και το μαθηματικό υπόβαθρο των wavelets καθώς και άλλων εφαρμογών τους μπορούν να βρεθούν στη σχετική βιβλιογραφία Αποθορυβοποίηση με χρήση wavelets Όπως οι μετασχηματισμοί Fourier έτσι και οι μετασχηματισμοί wavelets χωρίζονται σε συνεχείς και διακριτούς, μονοδιάστατους και δισδιάστατους. Οι εικόνες είναι δυσδιάστατα ψηφιακά σήματα και επομένως για την επεξεργασία τους χρησιμοποιείται ο Δισδιάστατος Διακριτός Μετασχηματισμός Wavelets (2D DWT) [3], [6], [7]. Παρακάτω αναπτύσσεται η διαδικασία ανάλυσης μιας εικόνας με χρήση δισδιάστατου διακριτού μετασχηματισμού wavelet. Η επεξεργασία μιας εικόνας μέσω wavelet μπορεί να ερμηνευθεί ως μια διαδικασία φιλτραρίσματος της εικόνας. Στις περισσότερες εφαρμογές επεξεργασίας σήματος και εικόνας ακολουθούνται 3 βήματα [6], [7]: 1. Αποσύνθεση (Decomposition). Εφαρμόζεται δισδιάστατος διακριτός μετασχηματισμός wavelet ώστε το σήμα ή η εικόνα να αποσυντεθούν σε επιμέρους κομμάτια (π.χ. υποεικόνες). Τα κομμάτια αυτά ονομάζονται Συντελεστές Λεπτομερειών (Detail Coefficients) διότι το καθένα ξεχωριστά αναδεικνύει συγκεκριμένες λεπτομέρειες του αρχικού σήματος-εικόνας. 2. Φιλτράρισμα (Filtering). Ανάλογα με την εφαρμογή που εκτελούμε, φιλτράρονται με κατάλληλους αλγόριθμους οι συντελεστές λεπτομερειών. Για παράδειγμα για τη συμπίεση δεδομένων χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι συμπίεσης πάνω στους συντελεστές λεπτομερειών, ενώ για την αποθορυβοποίηση χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι κατωφλίωσης για να αποκοπούν οι λεπτομέρειες που περιλαμβάνουν το θόρυβο. 3. Ανακατασκευή (Reconstruction). Εφαρμόζεται ο αντίστροφος δισδιάστατος διακριτός μετασχηματισμός wavelet (2D IDWT) για να ανακατασκευαστεί το σήμα-εικόνα από τα φιλτραρισμένα επιμέρους κομμάτια. 115

116 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Ας δούμε πώς πραγματοποιούνται τα παραπάνω βήματα για την αποθορυβοποίηση μιας εικόνας Α μεγέθους 2 n x 2 n. Η διαδικασία της ανάλυσης της εικόνας μέσω wavelet εμφανίζεται στo παρακάτω σχήμα [6]. Σχήμα 6.1 Δισδιάστατη wavelet αποσύνθεση της εικόνας Α 1. Αποσύνθεση (Decomposion). Αρχικά τα φίλτρα h[n] και g[n] (wavelets) εφαρμόζονται στις σειρές (rows) της εικόνας Α. Το φίλτρο h[n] είναι ένα βαθυπερατό φίλτρο με απόκριση συχνότητας Η(ω) και το g(n) είναι ένα υψιπερατό φίλτρο με απόκριση συχνότητας G(ω). Φιλτράροντας την εικόνα Α με Η(ω), παίρνουμε τις πληροφορίες χαμηλών συχνοτήτων (background), ενώ φιλτράροντας την εικόνα με G(ω) αποκτάμε τις πληροφορίες υψηλών συχνοτήτων (edges). Στη συνέχεια εκτελείται υποδειγματοληψία με παράγοντα το 2 και με αυτόν τον τρόπο αποκτάμε 2 υποεικόνες: HrA και GrA (ο δείκτης r δείχνει ότι τα φίλτρα εφαρμόζονται στις γραμμές (rows) της εικόνας Α, και αντίστοιχα ο δείκτης c υποδηλώνει εφαρμογή στις στήλες). Το μέγεθος των 2 αυτών υποεικόνων, εξαιτίας της διαδικασίας υποδειγματοληψίας, είναι 2 n x 2 n-1. Τα φίλτρα Η(ω) και G(ω) εφαρμόζονται τώρα στις στήλες (columns) των υποεικόνων HrA και GrA. Επαναλαμβάνεται η διαδικασία υποδειγματοληψίας με παράγοντα το 2 και αποκτάμε έτσι 4 υποεικόνες: H c H r A, G c H r A, H c G r A, και G c G r A. Αυτές οι υποεικόνες, εξαιτίας της 116

117 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων υποδειγματοληψίας, έχουν μέγεθος 2 n-1 x 2 n-1. Σε αυτή τη φάση έχει εκτελεσθεί αποσύνθεση επιπέδου 1 (wavelet decomposition at level 1). Όλα τα προηγούμενα βήματα εφαρμόζονται εν συνεχεία στην υποεικόνα H c H r A με αποτέλεσμα τη δημιουργία 4 νέων υποεικόνων. Τώρα έχουμε αποσύνθεση επιπέδου 2 (wavelet decomposition level 2). Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται σε ακόμα υψηλότερα επίπεδα μέχρι το επίπεδο που έχουμε επιλέξει ανάλογα με την εφαρμογή. 2. Φιλτράρισμα (Filtering). Στην αποσύνθεση επιπέδου 1 που εμφανίζεται στο σχήμα 6.1, η υποεικόνα H c H r A περιλαμβάνει κυρίως το background της εικόνας (approximations), ενώ οι υποεικόνες G c H r A, H c G r A, και G c G r A περιλαμβάνουν τις λεπτομέρειες της εικόνας (details coefficients). Πιο συγκεκριμένα, η υποεικόνα H c G r A περιλαμβάνει τις κάθετες λεπτομέρειες, η υποεικόνα G c H r A περιλαμβάνει τις οριζόντιες λεπτομέρειες, ενώ η υποεικόνα G c G r A εμφανίζει λεπτομέρειες και στις δυο κατευθύνσεις (διαγώνιες λεπτομέρειες). Για διευκόλυνση χρησιμοποιούνται τα γράμματα A (approximation), H (horizontal detail), V (vertical detail) και D (diagonal detail) για τις υποεικόνες H c H r A, G c H r A, H c G r A και G c G r A αντίστοιχα (Σχήμα 6.1). Σε αυτό το σημείο επεξεργαζόμαστε ξεχωριστά τις υποεικόνες που έχουν δημιουργηθεί έτσι ώστε να αποκόψουμε τις ανεπιθύμητες λεπτομέρειες. Στη δική μας περίπτωση είναι επιθυμητό να αποκοπεί ο περιοδικός θόρυβος ο οποίος εμφανίζεται κυρίως σαν οριζόντιες γραμμές. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται wavelet κατωφλίωση στην εικόνα Η (που περιλαμβάνει τις οριζόντιες λεπτομέρειες) ώστε να αποκοπούν οι οριζόντιες γραμμές που εμφανίζονται λόγω του περιοδικού θορύβου. Επειδή ο θόρυβος εμφάνισε λεπτομέρειες και στις V και D εικόνες, πραγματοποιήθηκε και σε αυτές wavelet κατωφλίωση μικρότερου όμως βαθμού. 3. Ανακατασκευή (Reconstruction). Αφού ολοκληρωθεί η επιθυμητή επεξεργασία των υποεικόνων εκτελείται η δισδιάστατη wavelet ανακατασκευή με σκοπό τη δημιουργία της τελικής (αποθορυβοποιημένης πλέον) εικόνας. Η δισδιάστατη wavelet ανακατασκευή είναι η αντίστροφη διαδικασία της δισδιάστατης wavelet ανάλυσης που περιγράφηκε διεξοδικά παραπάνω και πραγματοποιείται με χρήση του αντίστροφου δισδιάστατου διακριτού μετασχηματισμού wavelet. Το σχήμα 6.2 παρουσιάζει συνοπτικά τη διαδικασία της ανακατασκευής. 117

118 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Σχήμα 6.2 Ανακατασκευή της εικόνας Α Παρακάτω εμφανίζεται ένα παράδειγμα αποθορυβοποίησης της εικόνας 6.1 με χρήση του wavelet db10 σε επίπεδο 1 μέσω του wavelet toolbox του Matlab [7]. Παρουσιάζονται οι υποεικόνες που δημιουργεί η αποσύνθεση επιπέδου 1 (decomposition at level 1), η υποεικόνα Η (Horizontal detail coef at level 1) και η ανακατασκευασμένη αποθορυβοποιημένη εικόνα. Παρατηρούμε πόσο έντονα διακρίνεται ο περιοδικός θόρυβος στην υποεικόνα H (οριζόντιες γραμμές). Η αρχική εικόνα εμφανίζεται με αυτόν τον τρόπο διότι επεξεργάζεται ένα μόνο κανάλι κάθε φορά (ο μετασχηματισμός είναι δισδιάστατος επομένως η ανάλυση μπορεί να γίνει μόνο σε ένα κανάλι της RGB εικόνας). Εικόνα 6.4 Αποθορυβοποίηση εικόνας με το wavelet toolbox του Matlab 118

119 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Αποθορυβοποίηση βρογχοσκοπικών εικόνων με wavelets Για να πετύχουμε τη βέλτιστη αποθορυβοποίηση των βρογχοσκοπικών εικόνων με τη βοήθεια των wavelets πρέπει να απαντήσουμε στα εξής ερωτήματα: α) Ποιο είναι το βέλτιστο wavelet που θα αποκόψει τον περιοδικό θόρυβο και θα κρατήσει ανέπαφα τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των εικόνων; β) Σε ποιο επίπεδο αποσύνθεσης πρέπει να χρησιμοποιηθεί αυτό; γ) Ποια πρέπει να είναι τα όρια κατωφλίωσης για το φιλτράρισμα των υποεικόνων; Σύμφωνα με τους Luisier et al. [8] το αποτέλεσμα κάθε wavelet ανάλυσης εξαρτάται από τον θόρυβο που υπάρχει. Ο καλύτερος τρόπος για να επιτευχθεί η βέλτιστη αποθορυβοποίηση είναι να δοκιμαστούν διάφορα wavelets για να βρεθεί ποιο αποκόπτει καλύτερα τον θόρυβο που παρουσιάζεται σε κάθε περίπτωση. Ακολουθώντας τα συμπεράσματα των Luisier et al. [8], μελετήθηκε η επίδραση των wavelets haar, daubechie, symlet και coiflet πάνω στις βρογχοσκοπικές εικόνες. Εφαρμόστηκε wavelet ανάλυση σε μια συγκεκριμένη εικόνα χρησιμοποιώντας τα παραπάνω wavelets σε όλες τους τις τάξεις. Για κάθε μια τάξη αποθηκεύτηκε η αποθορυβοποιημένη εικόνα με αποτέλεσμα να συγκεντρωθούν περίπου 25 εικόνες (25 διαφορετικά wavelets). Λεπτομερής μελέτη των τελικών εικόνων οδήγησε στο συμπέρασμα ότι, αν και γενικώς τα παραπάνω wavelet λειτουργούν ικανοποιητικά στις υψηλές τάξεις, το symlet8 έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα. Ωστόσο σε όλες τις τελικές εικόνες (ακόμα και σε αυτή του symlet8) παρατήθηκε η παρουσία artifacts. Τα artifacts, αν και δεν εμφανίζονταν έντονα, αποτελούν ένα πρόβλημα για την περαιτέρω ανάλυση και σε ορισμένες περιπτώσεις ίσως να κριθεί μη αποδεκτή η παρουσία τους. Η εμφάνιση artifacts μετά την αποθορυβοποίηση εικόνων με wavelets είναι γνωστό γεγονός [7]. Το πρόβλημα δημιουργείται διότι η δισδιάστατος διακριτός μετασχηματισμός wavelet (DWT) από τη φύση του είναι χρονομεταβλητός μετασχηματισμός. Η εφαρμογή του σε στατικά σήματα δύναται να δημιουργήσει την εμφάνιση παραμορφώσεων, που στην περίπτωσή μας εμφανίζονται με τη μορφή artifacts. Για την αντιμετώπιση του συγκεκριμένου προβλήματος, το 1995 οι Coifan και Donoho δημιούργησαν τον Στατικό Δισδιάστατο Διακριτό Μετασχηματισμό Wavelet (SWT) [9]. Ο SWT χωρίζει το σήμα σε πολλά μικρά κομμάτια και εφαρμόζει σε καθένα από αυτά τον απλό DWT. Τα κομμάτια είναι τόσο μικρά ώστε να μην εμφανίζονται παραμορφώσεις σε αυτά. Τα 119

120 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων μετασχηματισμένα κομμάτια ενώνονται και δίνουν το τελικό μετασχηματισμένο σήμα, που πλέον είναι καθαρό χωρίς την εμφάνιση παραμορφώσεων. Ο SWT θεωρείται πλέον ο ιδανικός μετασχηματισμός wavelets για αποθορυβοποίηση στατικών σημάτων και εικόνων [7]. Πράγματι, σε δοκιμές με χρήση SWT τα artifacts εξαφανίστηκαν επιτρέποντας έτσι τη χρήση των wavelets για την αποκοπή του περιοδικού θορύβου. Επαναλαμβάνοντας τις προηγούμενες δοκιμές με διάφορα wavelets, αλλά εφαρμόζοντας τώρα SWT, τελικά καταλήξαμε ότι ιδανικό για την αποκοπή του περιοδικού θορύβου που εμφανίζεται στις βρογχοσκοπικές εικόνες είναι το wavelet db10 με μετασχηματισμό SWT. Εμπειρικά, από τις ίδιες δοκιμές καταλήξαμε ότι η παραπάνω ανάλυση είναι βέλτιστη όταν εκτελείται σε επίπεδο αποσύνθεσης 3 (decomposition level 3). Το τελευταίο ερώτημα που απομένει για την εύρεση του φίλτρου wavelet είναι η κατωφλίωση των υποεικόνων της αποσύνθεσης. Για να βρούμε τα όρια κατωφλίωσης ώστε να αποκόπτεται ο θόρυβος και ταυτόχρονα να μην αλλοιώνεται η εικόνα, εκτελέστηκαν πολλές δοκιμές με διάφορες τιμές. Από την ανάλυση των υποεικόνων της αποσύνθεσης παρατηρήθηκε ότι ο θόρυβος εμφανίζεται έντονα στο επίπεδο H (horizontal coefficient detail). Εφαρμόζοντας wavelet κατωφλίωση στο επίπεδο αυτό επετεύχθη η αποκοπή του μεγαλύτερου μέρους του θορύβου. Ωστόσο κατά την ανασύνθεση της εικόνας παρατηρήθηκε ότι, ακόμα και μετά την αποκοπή του στο επίπεδο H, υπήρχαν σημάδια εμφάνισής του. Για τον λόγο αυτό εφαρμόστηκε wavelet κατωφλίωση και στα επίπεδα D (diagonal) και V (vertical), χρησιμοποιώντας όμως μικρότερα όρια. Μετά από διάφορες δοκιμές καταλήξαμε να υπολογίσουμε τους καλυτέρους συντελεστές wavelet κατωφλίωσης. Σε αυτό το σημείο όμως εμφανίστηκε ένα άλλο πρόβλημα. Όπως αναφέρθηκε στην αρχή του κεφαλαίου ένα από τα χαρακτηριστικά των εικόνων είναι η μεταβλητή ένταση του θορύβου ανά περιστατικό. Επομένως ενώ τα όρια κατωφλίωσης που υπολογίστηκαν ήταν ιδανικά για κάποια περιστατικά, σε ορισμένα άλλα δεν έκοβαν εντελώς τον θόρυβο. Το παραπάνω γεγονός οδήγησε στο να επιλέξουμε ξεχωριστή παραμετροποίηση ανά περιστατικό. Στον πίνακα 6.1 παρατίθενται οι εμπειρικοί συντελεστές κατωφλίωσης που υπολογίστηκαν με δοκιμές ώστε σε κάθε περιστατικό να έχουμε την καλύτερη αποθορυβοποίηση. 120

121 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Πίνακας 6.4 Εμπειρικοί συντελεστές κατωφλίωσης για την αποθορυβοποίηση εικόνων ΑΦΒ με χρήση wavelets (w-threshold coefficients) Περιστατικό Επίπεδο H Επίπεδο V Επίπεδο D ΦΑ ΦΑ ΦΑ ΚΑ1 ΚΑ2 ΚΑ ΦΒ1 - ΦΒ2 - ΦΒ Με στόχο την κατασκευή εργαλείου αποθορυβοποίησης εικόνων ΑΦΒ υλοποιήθηκε κώδικας σε περιβάλλον Matlab χρησιμοποιώντας τις παραπάνω τεχνικές. Στο διάγραμμα 6.2 παρουσιάζεται η λειτουργία του αλγόριθμου αποθορυβοποίησης. Το εργαλείο αποθορυβοποίησης εικόνων ΑΦΒ αποτελεί το υποσύστημα προεπεξεργασίας δεδομένων του συστήματος υποστήριξης διάγνωσης που αναπτύξαμε και χρησιμοποιείται για την αποθορυβοποίηση των εικόνων ΑΦΒ που συλλέγονται από το σύστημα. Η εικόνα 6.5 απεικονίζει το αποτέλεσμα της αποθορυβοποίησης της εικόνας 6.1 με χρήση μετασχηματισμού SWT με wavelet db10 σε level 3 και επιλέγοντας τα όρια κατωφλίωσης που απεικονίζονται στον παραπάνω πίνακα. Με μια απλή σύγκριση μεταξύ των εικόνων 6.1, 6.3 και 6.5 μπορούμε να διαπιστώσουμε τα εντυπωσιακά αποτελέσματα της χρήσης wavelets. Σε σχέση με την αρχική εικόνα ο θόρυβος έχει αποκοπεί εντελώς. Επιπροσθέτως αναδεικνύονται περισσότερες λεπτομέρειες του βρογχικού ιστού. Σε σχέση με το φίλτρο Gaussian η υπεροχή των wavelets είναι εμφανής. 121

122 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Για κάθε περιστατικό δημιουργήθηκε ξεχωριστός φάκελος με τις εικόνες του. Το πρόγραμμα έτρεξε ξεχωριστά σε όλους τους φακέλους ΔΙΑΒΑΣΜΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΦΑΚΕΛΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΚΟΝΑΣ RGB Ο διακριτός μετασχηματισμός wavelet είναι δισδιάστατος ενώ μια εικόνα RGB αποτελείται από 3 δυσδιάστατους πίνακες (τα τρία κανάλια της εικόνας). Για αυτό το λόγο εφαρμόστηκε ξεχωριστά σε κάθε κανάλι η αποθορυβοποίηση με wavelts. ΚΑΝΑΛΙ R ΚΑΝΑΛΙ G ΚΑΝΑΛΙ B ΕΦΑΡΜΟΓΗ SWT ΜΕ ΧΡΗΣΗ WAVELET db10 ΣΕ LEVEL 3 ΕΦΑΡΜΟΓΗ SWT ΜΕ ΧΡΗΣΗ WAVELET db10 ΣΕ LEVEL 3 ΕΦΑΡΜΟΓΗ SWT ΜΕ ΧΡΗΣΗ WAVELET db10 ΣΕ LEVEL 3 DECOMPOSIT ION DECOMPOSIT ION DECOMPOSIT ION ΕΠΙΠΕΔΟ H ΕΠΙΠΕΔΟ V ΕΠΙΠΕΔΟ D ΕΠΙΠΕΔΟ H ΕΠΙΠΕΔΟ V ΕΠΙΠΕΔΟ D ΕΠΙΠΕΔΟ H ΕΠΙΠΕΔΟ V ΕΠΙΠΕΔΟ D THRESHOLING ΓΙΑ ΑΠΟΘΟΡΥΒΟΠΟΙΗΣΗ THRESHOLING ΓΙΑ ΑΠΟΘΟΡΥΒΟΠΟΙΗΣΗ THRESHOLING ΓΙΑ ΑΠΟΘΟΡΥΒΟΠΟΙΗΣΗ RECONSTRU CTION RECONSTRU CTION RECONSTRU CTION ΑΠΟΘΟΡΥΒΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΚΑΝΑΛΙ R ΑΠΟΘΟΡΥΒΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΚΑΝΑΛΙ G ΑΠΟΘΟΡΥΒΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΚΑΝΑΛΙ B ΤΕΛΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΘΟΡΥΒΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ Διάγραμμα 6.2 Λογικό διάγραμμα του αλγόριθμου αποθορυβοποίησης με χρήση wavelets 122

123 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων Εικόνα 6.5 Το αποτέλεσμα της αποθορυβοποίησης της εικόνας 6.1 με χρήση του wavelet db10 σε level 3 και χρησιμοποιώντας μετασχηματισμό SWT. Τα αποτελέσματα είναι εντυπωσιακά. Ο θόρυβος έχει αποκοπεί εντελώς χωρίς να έχουν επηρεαστεί χαρακτηριστικά της εικόνας 123

124 Κεφάλαιο 6 Συλλογή και Προεπεξεργασία Κλινικών Δεδομένων 6.3 Βιβλιογραφία [1] [2] Εργαστήριο Πολυμέσων ΕΜΠ, Τεχνολογία Πολυμέσων, Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα, Φεβρουάριος 2000 [3] R. Gonzalez, R. Woods, S. Eddins, Digital Image Processing using Matlab, Prentice Hall, New Jersey, 2004 [4] Yu-Li You, M. Kaveh, Fourth Order Partial Differential Equations for Noise Removal, IEEE Trans. Image Processing, vol. 9, no. 10, pp , October 2000 [5] MATLAB Central, File Exchange, [6] R. Gonzalez, R. Woods, Digital Image Processing (Second Edition), Prentice Hall, New Jersey, 2002 [7] The MathWorks, Wavelet Toolbox Documentation, [8] F. Luisier, T. Blu, B. Forster and M. Unser, Which wavelet bases are the best for image denoising? Wavelets: Conference No 11, vol. 5914, pp. 1-12, Aug [9] R. R. Coifman, D. L. Donoho, Translation-Invariant De-Noising, Yale University and Stanford University,

125 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο 7.1 Εισαγωγή Το επόμενο βήμα μετά τη συγκέντρωση και αποθορυβοποίηση των βρογχοσκοπικών εικόνων είναι η ανάλυσή τους με στόχο την εύρεση χαρακτηριστικών που θα χρησιμοποιηθούν ως κριτήρια για τον ακριβέστερο εντοπισμό και τη διάκριση περιοχών κακοήθειας και φλεγμονής. Όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 5, το βασικό πρόβλημα της ΑΦΒ είναι το υψηλό ποσοστό ΨΘΕ καθώς δύναται η φλεγμονή να φθορίσει σε παρόμοιες αποχρώσεις με την κακοήθεια. Ο βρογχοσκόπος κατά τη διάρκεια της ΑΦΒ εξετάζει λεπτομερώς το βρογχικό δέντρο του ασθενούς και ερευνά την ύπαρξη περιοχών που αυτοφθορίζουν στην περιοχή του μπλε. Περιοχές που αυτοφθορίζουν σε αποχρώσεις του μπλε-μωβ κρίνονται ύποπτες. Ωστόσο με την ίδια απόχρωση εμφανίζονται και οι περιπτώσεις των ΨΘΕ, όπως αυτές παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 5, με αποτέλεσμα να δυσχεραίνεται το έργο του γιατρού και να γίνεται πιο δύσκολη η διάγνωση. Με βάση το παραπάνω γεγονός δημιουργείται το εξής ερώτημα: Κατά πόσο τα χρώματα που εμφανίζουν οι περιοχές κακοήθειας και φλεγμονής σε ΑΦΒ μοιάζουν μεταξύ τους; Με μια πρώτη ματιά στα περιστατικά που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 5 μπορούμε να πούμε ότι πράγματι τα χρώματα είναι τόσο όμοια ώστε είναι αδύνατο να διαπιστώσουμε αν πρόκειται για καρκίνο ή ΨΘΕ. Εντούτοις η πραγματική απάντηση στο παραπάνω ερώτημα θα προκύψει από την ψηφιακή ανάλυση των εικόνων ΑΦΒ σε χρωματικό επίπεδο. 125

126 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο 7.2 Θεμελιώδη στοιχεία χρώματος Εξαιτίας της δομής του ανθρώπινου ματιού, όλα τα χρώματα θεωρούνται συνδυασμοί των τριών βασικών χρωμάτων (primary colors): του κόκκινου (R), του πράσινου (G) και του μπλε (Β) (βασική αρχή τριχρωμίας) [1]. Για λόγους τυποποίησης, η διεθνής επιτροπή CIE (Commission Internatiole de l Eclairage - International Commission on Illumination) καθόρισε το 1931 τις ακόλουθες τιμές για τα τρία βασικά χρώματα: μπλε = 435,8nm, πράσινο = 546,lnm και κόκκινο = 700nm [2]. Τα χαρακτηριστικά με τα οποία γίνεται ο διαχωρισμός μεταξύ των χρωμάτων είναι η φωτεινότητα (brightness), η απόχρωση (hue) και η χρωματική καθαρότητα ή ποσότητα χρώματος (saturation) [2]. Η φωτεινότητα ενσωματώνει την αχρωματική έννοια της έντασης του φωτός (intensity). Η απόχρωση είναι ένα χαρακτηριστικό άμεσα εξαρτώμενο από το υπερέχον μήκος κύματος μέσα σε ένα μείγμα από κύματα φωτός. Έτσι, η απόχρωση αντιπροσωπεύει το υπερισχύον χρώμα που εκλαμβάνεται από έναν παρατηρητή. Όταν λέμε για παράδειγμα ότι ένα αντικείμενο είναι πορτοκαλί, κόκκινο ή κίτρινο αυτό που εκφράζουμε είναι η απόχρωσή του. Η χρωματική καθαρότητα (ή ποσότητα χρώματος ή εμποτισμός χρώματος) αναφέρεται στη σχετική αγνότητα ή στο ποσό του λευκού φωτός όταν αυτό αναμειγνύεται με μια απόχρωση. Χρώματα όπως το κόκκινο, το κίτρινο και το πράσινο έχουν πλήρη χρωματική καθαρότητα. Είναι δηλαδή τα «καθαρά» χρώματα του οπτικού φάσματος. Σε αντίθεση, το ροζ (κόκκινο και άσπρο) και το ελαφρύ μοβ (βιολετί και άσπρο) παρουσιάζουν μικρότερη χρωματική καθαρότητα (ή μικρότερη ποσότητα χρώματος). Ο βαθμός δηλαδή της χρωματικής καθαρότητας είναι αντιστρόφως ανάλογος με την ποσότητα του λευκού φωτός. Η απόχρωση (hue) και η χρωματική καθαρότητα (saturation) μαζί, αναφέρονται ως χρωματικότητα (chromaticity). Κατά συνέπεια ένα χρώμα μπορεί να εκφραστεί πλήρως από την χρωματικότητα και τη φωτεινότητα. 7.3 Χρωματικά Μοντέλα (Χρωματικοί Χώροι) Ο όρος χρωματικό μοντέλο [2] (αναφέρεται επίσης και ως χρωματικός χώρος) χρησιμοποιείται για να περιγράψει έναν τρόπο κωδικοποίησης της χρωματικής πληροφορίας σε μια εικόνα. Ένα χρωματικό μοντέλο είναι στην ουσία ένα τρισδιάστατο σύστημα συντεταγμένων και ένα υποσύστημα μέσα σε αυτό όπου κάθε χρώμα 126

127 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο αναπαρίσταται με ένα μοναδικό σημείο. Το χρωματικό μοντέλο λοιπόν ορίζει κατά μοναδικό τρόπο όλα τα χρώματα. Κάθε χρώμα αντιστοιχεί σε τρεις μοναδικές συντεταγμένες του τρισδιάστατου χώρου του χρωματικού μοντέλου. Βέβαια από μόνες τους οι συντεταγμένες αυτές δεν έχουν καμία αξία αν δεν γνωρίζουμε σε ποιό χρωματικό μοντέλο αναφέρονται. Σε κάθε χρωματικό χώρο κάθε μια από τις τρεις συντεταγμένες αντιστοιχεί σε κάποιο χαρακτηριστικό-ιδιότητα του χρώματος. Το χαρακτηριστικό αυτό μπορεί να είναι π.χ. ένα συγκεκριμένο χρώμα, φωτεινότητα, απόχρωση. κτλ. Με άλλα λόγια οι τρεις συντεταγμένες που αντιστοιχούν σε κάθε χρώμα, δηλώνουν ουσιαστικά τις τιμές που έχουν οι ιδιότητες-χαρακτηριστικά για το συγκεκριμένο χρώμα. Υπάρχουν πολλά χρωματικά μοντέλα και κάθε ένα από αυτά έχει ως στόχο να εξυπηρετήσει τις διαφορετικές ανάγκες συστημάτων και εφαρμογών που χρησιμοποιούν χρώμα Τα σημαντικότερα χρωματικά μοντέλα Τα περισσότερα χρωματικά μοντέλα είναι προσανατολισμένα για χρήση είτε σε φυσικά εξαρτήματα υπολογιστικών συστημάτων (hardware - π.χ. οθόνες και κάμερες) είτε σε εφαρμογές όπου είναι επιθυμητή η διαχείριση των χρωμάτων (π.χ. επεξεργασία εικόνας). Τα σημαντικότερα χρωματικά μοντέλα (χρωματικοί χώροι) είναι [2]: Μοντέλα που χρησιμοποιούνται σε υπολογιστικά συστήματα o RGB (Red, Green, Blue) για έγχρωμες οθόνες, κάμερες και ψηφιακές εικόνες o CMY (Cyan, Magenta, Yellow) για έγχρωμους εκτυπωτές o YIQ και YUV που είναι τα πρότυπα για την τηλεοπτική μετάδοση (τηλεοπτικό σήμα NTSC και PAL αντίστοιχα) o YCbCr που χρησιμοποιείται στη συμπίεση εικόνας και βίντεο Μοντέλα που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές επεξεργασίας εικόνας o HSV (Hue, Saturation, Value) o HSI (Hue, Saturation, Intensity) o CIE-XYZ o CIE-LAB 127

128 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο Για τα παραπάνω μοντέλα που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές επεξεργασίας εικόνας αναφέρουμε συνοπτικά τα εξής: Μοντέλο XYZ. Αποτελεί μια παραλλαγή του μοντέλου RGB για εφαρμογές επεξεργασίας εικόνας, και επομένως ακολουθεί τις ίδιες αρχές με το πρότυπο RGB και παρουσιάζει τις ίδιες ιδιότητες. Μοντέλο LAB. Στο LAB το L είναι συστατικό φωτεινότητας, ενώ τα Α και Β είναι τα συστατικά χρώματος. Μοντέλο HSI. Αποτελεί μια παραλλαγή του μοντέλου HSV και επομένως ακολουθεί τις ίδιες αρχές και παρουσιάζει τις ίδιες ιδιότητες. Κατά την ανάλυση σε χρωματικό επίπεδο των εικόνων ΑΦΒ έγινε μετάβαση από τον χώρο RGB (που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση των εικόνων) σε όλους τους υπόλοιπους χρωματικούς χώρους, με σκοπό την ανάδειξη λεπτομερειών που δεν διακρίνονται στον χώρο RGB. Η μετάβαση στους χρωματικούς χώρους που χρησιμοποιούνται σε υπολογιστικά συστήματα δεν έδειξε κάτι διαφορετικό από τον χώρο RGB αφού άλλωστε οι χώροι αυτοί είναι παραλλαγές του χώρου RGB. Μελετήθηκε εκτενώς η μετάβαση στους χώρους XYZ και LAB αλλά και σε αυτή την περίπτωση δεν είχαμε θετικά αποτελέσματα. Για τους παραπάνω λόγους, παρακάτω θα περιγραφούν μόνο το χρωματικό μοντέλο RGB βάσει του οποίου λειτουργεί το σύστημα βρογχοσκόπησης και έχουν αποθηκευτεί οι βρογχοσκοπικές εικόνες και το μοντέλο HSV το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση των εικόνων ΑΦΒ Το χρωματικό μοντέλο RGB Το χρωματικό μοντέλο RGB εκφράζει το κάθε χρώμα συναρτήσει των τριών βασικών χρωμάτων, δηλαδή του κόκκινου, του πράσινου και του μπλε (από όπου έχει πάρει και το όνομά του Red-Green-Blue) [2]. Τα τρία βασικά χρώματα έχουν επιλεχθεί ως οι ιδιότητες του χρωματικού χώρου. Το RGB μοντέλο βασίζεται στον τρόπο με τον οποίο το ανθρώπινο μάτι αντιλαμβάνεται τα χρώματα και γι αυτόν το λόγο θεωρείται βασικό μοντέλο και στην πράξη χρησιμοποιείται περισσότερο από οποιοδήποτε άλλο. Τα υπόλοιπα μοντέλα που χρησιμοποιούνται σε υπολογιστικά συστήματα είναι είτε παραλλαγές είτε συμπληρωματικά μοντέλα του RGB και αναπτύχθηκαν για να καλύψουν την ανάγκη για βελτιστοποίηση σε συγκεκριμένες λειτουργίες (π.χ. το CMY είναι μια παραλλαγή του RGB για τη βελτιστοποίηση της εκτύπωσης). Το μοντέλο RGB βασίζεται σε ένα καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων και αναπαρίσταται από έναν κύβο, όπου στις τρεις γωνίες του - 128

129 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο άξονες του συστήματος - βρίσκονται τα τρία βασικά χρώματα. Στις άλλες τρεις γωνίες του κύβου βρίσκονται τα τρία δευτερεύοντα χρώματα (κυανό, ματζέντα, κίτρινο) ενώ το μαύρο είναι στην αρχή των αξόνων και το άσπρο στην απέναντι κορυφή (Σχήμα 7.1) [2]. Η ευθεία που ενώνει την κορυφή του μαύρου με την κορυφή του άσπρου αποτελείται από ένα σύνολο τιμών που εκφράζουν τα επίπεδα του γκρι. Κάθε χρώμα λοιπόν ορίζεται σαν ο συνδυασμός των τριών βασικών χρωμάτων και εκφράζεται από τρεις συνιστώσες που αντιστοιχούν σε ένα μοναδικό σημείο στον χρωματικό χώρο του μοντέλου RGB. Όπως παρατηρούμε και στο σχήμα 7.1 όλες οι τιμές είναι κανονικοποιημένες στο διάστημα [0, 1]. Το λευκό χρώμα περιέχει ίσες ποσότητες και από τα τρία βασικά χρώματα. Σχήμα 7.1 Χρωματικός χώρος RGB Εικόνες RGB Το συγκεκριμένο μοντέλο χρησιμοποιείται για την απόδοση των χρωμάτων στις ψηφιακές εικόνες που αποθηκεύονται σε έναν υπολογιστή. Έτσι και στην περίπτωσή μας, οι βρογχοσκοπικές εικόνες είναι εικόνες RGB. Μια εικόνα RGB αποτελείται από ΜxΝ στοιχειώδη στοιχεία (εικονοστοιχεία - pixels). Κάθε pixel αποτελείται από 3 συνιστώσες (κόκκινη, πράσινη, μπλε) που αντιστοιχούν στους 3 άξονες του καρτεσιανού συστήματος συντεταγμένων του χώρου RGB [3]. Με μαθηματική ορολογία το pixel είναι ένα διάνυσμα: 129

130 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο z z z R G B όπου z R : η κόκκινη συνιστώσα, z G : η πράσινη συνιστώσα z B : η μπλε συνιστώσα Η τιμή κάθε μιας από τις παραπάνω συνιστώσες z R, z G, z B περιγράφει την «ποσότητα» (ένταση) του κόκκινου, πράσινου και μπλε αντίστοιχα που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία του τελικού χρώματος. Τα χρώματα όπως αναπαριστάνονται στο σχήμα 7.1 είναι «κανονικοποιημένα» στο συνεχές διάστημα [0, 1]. Πρακτικά δεν μπορούμε να έχουμε πραγματικούς αριθμούς για τις χρωματικές συνιστώσες σε μια ψηφιακή εικόνα, οπότε κάνουμε ομοιόμορφη κβάντιση για να δημιουργήσουμε χρωματικές στάθμες. Το εύρος των τιμών που μπορούν να πάρουν οι παραπάνω συνιστώσες ονομάζεται βάθος χρώματος μιας εικόνας [3]. Το βάθος χρώματος μίας ψηφιακής εικόνας εξαρτάται από το πλήθος των bits που χρησιμοποιούνται για να αποδώσουν τιμή σε κάθε μια από τις παραπάνω συνιστώσες. Αν χρησιμοποιούνται 7 bit για την αναπαράσταση μιας συνιστώσας το εύρος των τιμών που μπορεί να πάρει αυτή είναι από 0 έως 127 (έχουμε 128 χρωματικές στάθμες). Αντίστοιχα όταν έχουμε βάθος 8-bit υπάρχουν 256 χρωματικές στάθμες. Σε μια συνιστώσα, η τιμή 0 εκφράζει το μαύρο, δηλαδή απώλεια του συγκεκριμένου χρώματος, ενώ η τιμή 255 σημαίνει ότι το συγκεκριμένο χρώμα χρησιμοποιείται 100% για τη δημιουργία του τελικού χρώματος. Η πιο συνήθης περίπτωση έγχρωμων ψηφιακών εικόνων είναι να χρησιμοποιούνται 8-bit (256 στάθμες) για κάθε χρωματικό κανάλι, επομένως συνολικά η εικόνα έχει βάθος χρώματος 24-bit. pixel. Στην παρακάτω εικόνα γίνεται μια σχηματική επεξήγηση των συνιστωσών του 130

131 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο Μπλε συνιστώσα Oι τρεις συνιστώσες χρώματος του pixel Πράσινη συνιστώσα Κόκκινη συνιστώσα Εικόνα 7.1 Συνιστώσες χρώματος των pixels Ο δυνατός αριθμός των χρωμάτων σε μια RGB εικόνα δίνεται από τον τύπο ( 2 ) b 3 οπού b ο αριθμός των bits που χρησιμοποιούνται για κάθε χρωματικό κανάλι. Έτσι, σε μια RGB εικόνα 24bit μπορούμε να αναπαραστήσουμε ,7 εκατ. διαφορετικά χρώματα [3] Το χρωματικό μοντέλο HSV Το χρωματικό μοντέλο HSV (Hue, Saturation, Value) εκμεταλλεύεται τον τρόπο που οι άνθρωποι αντιλαμβάνονται το χρώμα [4]. Συγκεκριμένα, συνηθίζουμε να περιγράφουμε τις διάφορες σκηνές, όχι σε συνθήκες κόκκινου, πράσινου και μπλε, αλλά ως απόχρωση, καθαρότητα και ένταση. Βλέπουμε τα πράγματα σαν χρώματα ή αποχρώσεις, οι οποίες έχουν είτε μια ξεθωριασμένη όψη είτε βαθύ και έντονο χαρακτήρα. Αυτό αντιστοιχεί στο να έχουμε χαμηλή ή υψηλή καθαρότητα χρώματος, αντίστοιχα. Το Hue (απόχρωση) είναι το χρώμα που γίνεται αντιληπτό λόγω του μήκους κύματος. Το Saturation (εμποτισμός χρώματος) είναι ο βαθμός καθαρότητας του χρώματος, δηλαδή το κατά πόσο το χρώμα έχει πρόσμιξη λευκού μέσα. Το Value (τόνος ή ένταση) αναφέρεται στο βαθμό μίξης ενός καθαρού χρώματος με το μαύρο. Το σύνολο αυτών των τριών ιδιοτήτων μπορεί να παράγει οποιοδήποτε χρώμα υπάρχει στη φύση [4]. Το χρωματικό μοντέλο HSV παρουσιάζει δύο βασικά πλεονεκτήματα. Πρώτον, η ένταση του χρώματος είναι ανεξάρτητη από το χρώμα και δεύτερον η απόχρωση Η και η χρωματική καθαρότητα S είναι στενά συσχετισμένα με τον τρόπο αντίληψης του χρώματος από το ανθρώπινο μάτι. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το μοντέλο HSV ιδανικό 131

132 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο εργαλείο για την ανάπτυξη αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας βασιζόμενων στην αίσθηση του χρώματος από το ανθρώπινο οπτικό σύστημα. Το χρωματικό μοντέλο HSV επινοήθηκε το 1978 από τον Α. R. Smith. Το σύστημα συντεταγμένων είναι κυκλικό, και τα χρώματα βρίσκονται μέσα σε έναν εξάγωνο κώνο (Σχήμα 7.2). Η τιμή του Η κυμαίνεται από 0 έως 360, ενώ οι τιμές των S και V από 0 μέχρι 1. Όπως αναφέραμε μέχρι τώρα κάθε χρωματικό μοντέλο είναι και ένα τρισδιάστατο σύστημα συντεταγμένων. Η τρισδιάστατη αναπαράσταση του HSV λαμβάνεται από τον κύβο RGB. Αν κοιτάξουμε στον RGB κύβο κατά μήκος της διαγωνίου του γκρι, μπορούμε να δούμε ένα εξάγωνο, το οποίο είναι το HSV εξάγωνο. Η απόχρωση δίνεται από τη γωνία με τον οριζόντιο άξονα με το κόκκινο στις 0, το κίτρινο στις 60, το πράσινο στις 120, το κυανό στις 180, το μπλε στις 240 και το ματζέντα στις 300 (Σχήμα 7.2). Να σημειωθεί ότι τα συμπληρωματικά χρώματα έχουν 180 διαφορά [4]. Σχήμα 7.2 Χρωματικός χώρος HSV Η χρωματική καθαρότητα (ή αλλιώς εμποτισμός χρώματος) κυμαίνεται μεταξύ 0 S 1 και είναι ο λόγος της χρωματικής καθαρότητας μιας συγκεκριμένης απόχρωσης προς τη μέγιστη καθαρότητα (S=1). Όταν S=0 βρισκόμαστε στην κλίμακα του γκρι, δηλαδή στη διαγώνιο του RGB κύβου. Για την επιλογή ενός χρώματος διαλέγουμε αρχικά μια καθαρή 132

133 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο απόχρωση (καθορίζουμε δηλαδή τιμή του H και θέτουμε S=V=l). Στη συνέχεια προσθέτοντας μαύρο μειώνουμε την τιμή του V και προσθέτοντας άσπρο μειώνουμε το S [4]. Για παράδειγμα: Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται η χρωματική άποψη του χώρου HSV. Εικόνα 7.2 Ο χρωματικός χώρος HSV 7.4 Χρωματική Ανάλυση εικόνων ΑΦΒ Όπως είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο κάθε χρωματικό μοντέλο χρησιμοποιεί συγκεκριμένα χαρακτηριστικά-ιδιότητες των χρωμάτων για να περιγράψει τα χρώματα που εμφανίζονται σε μια εικόνα. Οι εικόνες ΑΦΒ ακολουθούν το πρότυπο RGB και επομένως κάθε χρώμα που εμφανίζεται σε αυτές περιγράφεται από την ένταση του κόκκινου (R), πράσινου (G) και μπλε χρώματος (B) (τα 3 χρωματικά κανάλια του χώρου RGB). Το βάθος χρώματος των 133

134 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο εικόνων αυτών είναι 24bit επομένως, χρησιμοποιούνται 256 στάθμες για να εκφραστεί η ένταση κάθε χρωματικού καναλιού (οι χρωματικές συνιστώσες παίρνουν τιμές από 0 έως 255) και μπορούν να αναπαρασταθούν 16,7 εκατ. διαφορετικά χρώματα. Το ανθρώπινο μάτι μπορεί να διακρίνει 200 περίπου αποχρώσεις που δημιουργούνται από το συνδυασμό των 3 βασικών χρωμάτων. Σε κάθε μια από αυτές τις αποχρώσεις μπορεί να ξεχωρίσει 500 χρώματα ανάλογα με την φωτεινότητα τους, και 20 ανάλογα με την πυκνότητά τους. Με άλλα λόγια, το οπτικό μας σύστημα μπορεί να διακρίνει ένα εκατομμύριο ερεθίσματα ως διαφορετικά ανάλογα με το χρώμα τους. Από τα παραπάνω είναι αντιληπτό ότι το πλήθος των χρωμάτων που μπορεί να διακρίνει ο άνθρωπος είναι πολύ μικρό σε σχέση με το πλήθος των χρωμάτων που εμφανίζονται στις ψηφιακές εικόνες RGB 24bit. Για τον λόγο αυτό η πρώτη μας σκέψη είναι η μελέτη των χρωματικών καναλιών RGB των εικόνων ΑΦΒ ώστε να ερευνήσουμε τις πραγματικές διαφορές των χρωμάτων που εμφανίζουν ο καρκίνος και η φλεγμονή Ανάλυση στον χώρο RGB Η ανάλυση των καναλιών RGB έγινε με 2 τρόπους. Ο πρώτος τρόπος είναι η διάσπαση κάθε εικόνας σε 3 υποεικόνες, όπου κάθε μια αντιπροσωπεύει ένα από τα 3 χρωματικά κανάλια. Με αυτόν τον τρόπο έγινε προσπάθεια να μελετηθεί η επίδραση κάθε βασικού χρώματος στην δημιουργία του μπλε χρώματος του καρκίνου και του μπλε της φλεγμονής. Αυτή η μεθοδολογία δεν απέδωσε κάποια αποτελέσματα αφού όπως και στην κανονική εικόνα ΑΦΒ, έτσι και στις 3 υποεικόνες της δεν διακρίθηκε διαφορά μεταξύ του χρώματος του καρκίνου και της φλεγμονής. Ο δεύτερος τρόπος είναι η ανάλυση των pixels στις περιοχές ενδιαφέροντος. Με χρήση του εργαλείου Pixel Region του Matlab [5] μελετήθηκαν group pixels από τις περιοχές ενδιαφέροντος σε εικόνες καρκίνου και φλεγμονής. Παρακάτω φαίνεται η διαδικασία αυτή σε 2 από τις εικόνες. 134

135 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο Εικόνα 7.3 Group Pixels από περιοχή κακοήθειας (carcinoma in situ). Περιστατικό ΚΑ 1 135

136 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο Εικόνα 7.4 Group Pixels από περιοχή φλεγμονής. Περιστατικό ΦΑ 2 136

137 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο Το εργαλείο Pixel Region μας επιτρέπει να μελετήσουμε τα χαρακτηριστικά χρώματος για κάθε pixel σε μια εντοπισμένη περιοχή. Παραπάνω εμφανίζονται οι τιμές των συνιστωσών RGB των pixels που βρίσκονται σε εντοπισμένες περιοχές κακοήθειας και φλεγμονής. Χρησιμοποιώντας το συγκεκριμένο εργαλείο, μετρήθηκαν πολλές εικόνες ΑΦΒ και καταγράφηκαν οι τιμές των συνιστωσών R, G, B στις περιοχές ενδιαφέροντος. Στον πίνακα 7.1 παρατίθενται τα αποτελέσματα των μετρήσεων: Πίνακας 7.1 Μετρήσεις συνιστωσών R, G και Β του χώρου RGB σε περιοχές κακοήθειας και φλεγμονής Περιοχές κακοήθειας Περιοχές φλεγμονής Συνιστώσα R G B R G B Εύρος τιμών (35, 60) (32, 50) (45, 70) (15, 40) (25, 54) (38, 70) Μέση τιμή Σχήμα 7.3 RGB Ιστόγραμμα για τις περιοχές κακοήθειας 137

138 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο Σχήμα 7.4 RGB Ιστόγραμμα για τις περιοχές φλεγμονής Από τις παραπάνω μετρήσεις συμπεραίνουμε ότι στην πραγματικότητα η απόχρωση που παρουσιάζει η κακοήθεια δεν είναι ίδια με αυτή της φλεγμονής. Είναι χαρακτηριστικό ότι στην περίπτωση της φλεγμονής το ιστόγραμμα του καναλιού R είναι μετατοπισμένο προς τα αριστερά. Στην πράξη αυτό σημαίνει ότι οι περιοχές φλεγμονής περιέχουν λιγότερο κόκκινο σε σχέση με τις περιοχές κακοήθειας. Από χρωματικής άποψης η μετατόπιση του κόκκινου σε μικρότερα επίπεδα οδηγεί στο συμπέρασμα ότι στις περιοχές φλεγμονής κυριαρχεί το μπλε, ενώ στις περιοχές κακοήθειας κυριαρχεί το ιώδες. Το συγκεκριμένο συμπέρασμα παρουσιάζει σημαντικό ενδιαφέρον και από ιατρικής άποψης. Όπως γνωρίζουμε, μια από τις επιπτώσεις της καρκινογένεσης είναι η έντονη αιμάτωση της καρκινογόνου περιοχής (βλ. κεφάλαια 1 και 2). Γνωρίζουμε επίσης ότι το σύστημα D-Light εμφανίζει τα τραύματα και το αίμα σε αποχρώσεις του κόκκινου (βλ. κεφάλαιο 4). Θα μπορούσαμε λοιπόν να συμπεράνουμε ότι, στην πραγματικότητα, στις περιοχές κακοήθειας παρουσιάζεται κόκκινη απόχρωση λόγω της έντονης αιμάτωσης από τον καρκίνο, η οποία όμως επικαλύπτεται από την έντονη παρουσία του μπλε (μην ξεχνάμε ότι το μπλε δείχνει ύπαρξη παθογένειας και επομένως θα εμφανιστεί έντονα). Το αποτέλεσμα: η περιοχή του καρκίνου να παρουσιάζει μωβ απόχρωση. Ωστόσο ο έντονος μπλε φθορισμός «κρύβει» την ύπαρξη του κόκκινου, και τελικά η περιοχή δεν εμφανίζει ευδιάκριτη διαφορετική απόχρωση σε σχέση με την απόχρωση της φλεγμονής. 138

139 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο Το γεγονός ότι η κακοήθεια «μωβίζει» περισσότερο από την φλεγμονή, δεν είναι αρκετό. Ο βρογχοσκόπος κατά τη διάρκεια της ΑΦΒ δεν έχει την ευχέρεια να αφιερώσει χρόνο από την εξέταση για να αναλύσει εάν η ύποπτη μπλε περιοχή που εξετάζει τείνει προς το ιώδες ή όχι. Ακόμα και να είχε το χρόνο, το συγκεκριμένο γεγονός είναι πολύ σχετικό. Για παράδειγμα εξαρτάται από το πώς αντιλαμβάνεται κανείς την έννοια του «μπλε που τείνει στο ιώδες». Ψηφιακή επεξεργασία των εικόνων στο χώρο RGB με σκοπό το διαχωρισμό των 2 αυτών αποχρώσεων δεν είναι εφικτή. Σε κάθε περίπτωση το χρώμα δημιουργείται από το συνδυασμό και των 3 συνιστωσών. Μελετώντας τα παραπάνω αποτελέσματα βλέπουμε ότι κάθε απόχρωση έχει διαφορές (αν και μικρές) και στα κανάλια G και Β, γεγονός που καθιστά ανέφικτο τον διαχωρισμό των 2 αυτών αποχρώσεων στον συγκεκριμένο χώρο. Εντούτοις η παραπάνω μελέτη μας έχει τροφοδοτήσει με ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα: Οι 2 αποχρώσεις ΔΕΝ είναι ίδιες Ανάλυση σε άλλους χρωματικούς χώρους Το τελευταίο συμπέρασμα μας οδηγεί στο να μελετήσουμε τις χρωματικές αποχρώσεις των περιοχών ενδιαφέροντος σε άλλους χρωματικούς χώρους. Χρησιμοποιώντας κατάλληλες εξισώσεις μπορούμε να μεταβούμε από τον χρωματικό χώρο RGB σε άλλους χρωματικούς χώρους, με σκοπό να εκμεταλλευτούμε τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά καθενός από αυτούς. Με χρήση του Matlab μελετήσαμε τις εικόνες ΑΦΒ στους χρωματικούς χώρους που αναφέρθηκαν στην παράγραφο 7.3. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως οι περισσότεροι χώροι δεν ανέδειξαν κάτι διαφορετικό σε σχέση με το χώρο RGB. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σχεδόν όλοι οι προαναφερθέντες χώροι χρησιμοποιούν τουλάχιστον 2 συνιστώσες για να περιγράψουν την απόχρωση ενός χρώματος, με συνέπεια να καταλήγουμε κάθε φορά σε όμοια αποτελέσματα με αυτά της ανάλυσης στο χώρο RGB. Το μοναδικό μοντέλο που διαφέρει είναι το μοντέλο HSV (και η παραλλαγή του, HSI) το όποιο περιγράφει την απόχρωση με μία μόνο συνιστώσα, την συνιστώσα H (Hue) Ανάλυση στο χρωματικό χώρο HSV Η μετάβαση από τον χώρο RGB στον χώρο HSV γίνεται με χρήση των παρακάτω μετασχηματισμών [4]. Έστω r,g,b είναι οι τιμές των συνιστωσών R, G, B κανονικοποιημένες στο διάστημα [0, 1]. Θέτουμε την παράμετρο max ίση με τη μέγιστη από τις παραπάνω τιμές, και ομοίως την παράμετρο min ίση με την ελάχιστη. Τότε: 139

140 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο Για τον υπολογισμό της γωνίας h [0, 360) της συνιστώσας H (Hue) του χώρου HSV: Για τον υπολογισμό της τιμής s [0, 1] της συνιστώσας S (Saturation) του HSV: Για τον υπολογισμό της τιμής v [0, 1] της συνιστώσας V (Value) του HSV: Οι παραπάνω εξισώσεις εφαρμόζονται σε κάθε pixel της εικόνας RGB ξεχωριστά. Εφαρμόσαμε τις παραπάνω εξισώσεις στις τιμές των pixel που συγκεντρώσαμε κατά την ανάλυση στον χώρο RGB, για να υπολογίσουμε τις τιμές των συνιστωσών H, S και V. Με απλή εφαρμογή στις μέσες τιμές των R,G και Β που έχουν καταγραφεί στον πίνακα 7.1, προκύπτουν οι μέσες τιμές για τις συνιστώσες H, S και V (Πίνακας 7.2). Πίνακας 7.2 Μέσες τιμές συνιστωσών H, S και V του χώρου HSV σε περιοχές κακοήθειας και φλεγμονής Περιοχές κακοήθειας Περιοχές φλεγμονής Συνιστώσα H S V H S V Μέση τιμή 267 o 0,36 0, o 0,45 0,21 Τα παραπάνω αποτελέσματα δείχνουν τη δυναμική του χώρου HSV. Αν και οπτικώς οι αποχρώσεις των περιοχών κακοήθειας και φλεγμονής σε ΑΦ φαίνονται παρόμοιες, στον χώρο HSV οι τιμές των αποχρώσεων αυτών, διαφέρουν σημαντικά. Είναι χαρακτηριστικό ότι οι μέσες τιμές της συνιστώσας της απόχρωσης (Hue) για τις 2 περιοχές διαφέρουν κατά 50 μοίρες. Η έντονη αυτή διαφορά οφείλεται στην ιδιαιτερότητα του μοντέλου να περιγράφει την απόχρωση με μια μόνο συνιστώσα. Μελετώντας τον 140

141 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο υποχώρο H του χώρου HSV, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, μπορούμε να αντιληφθούμε πόσο μεγάλη είναι η συγκεκριμένη διαφορά και πώς τελικά οι δύο περιοχές ενδιαφέροντος παρουσιάζουν διαφορετική απόχρωση. Από την παρακάτω εικόνα επιβεβαιώνονται και οι σκέψεις μας από την ανάλυση στον χώρο RGB. Πράγματι οι περιοχές κακοήθειας φθορίζουν σε αποχρώσεις που είναι πιο κοντά στο ιώδες, ενώ οι περιοχές φλεγμονής φθορίζουν σε αποχρώσεις πιο κοντά στο καθαρό μπλε. Εικόνα 7.5 Χρωματικός κύκλος του υποχώρου H Η μετάβαση στο χώρο HSV αναδεικνύει τη διαφορετικότητα των 2 αποχρώσεων. Ο χώρος RGB δεν μπορεί να αποδώσει αυτό το χαρακτηριστικό αφού κάθε απόχρωση εξαρτάται και από τις 3 συνιστώσες του. Το πιο σημαντικό στοιχείο με το μοντέλο HSV είναι το γεγονός ότι ο μετασχηματισμός μετάβασης από το χώρο RGB στο χώρο HSV είναι ΜΗ γραμμικός [4]. Η μη-γραμμικότητα του μετασχηματισμού προσδίδει στο χώρο HSV τη δυνατότητα να αναδεικνύει τη διαφορετικότητα χρωμάτων που βρίσκονται σε κοντινές αποστάσεις στο χρωματικό κύκλο. Το χαρακτηριστικό αυτό χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να διακριθούν οι διαφορετικές αποχρώσεις που παρουσιάζουν η κακοήθεια και η φλεγμονή. Για να εκμεταλλευτούμε τη δυναμική του χώρου HSV, κατασκευάστηκε το οπτικό αποτέλεσμα της μετάβασης από το χώρο RGB στον HSV. Για να το πετύχουμε αυτό, χρησιμοποιήθηκε η παρακάτω μεθοδολογία [5], [6]: 1) Για κάθε pixel της εικόνας ΑΦΒ υπολογίζονται οι τιμές των συνιστωσών H, S και V. 2) Κανονικοποιούνται οι παραπάνω τιμές έτσι ώστε να βρίσκονται όλες στο διάστημα [0, 255]. 141

142 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο 3) Σε κάθε pixel γίνεται αντικατάσταση των τιμών R, G, B με τις κανονικοποιημένες τιμές H, S και V. Με την παραπάνω διαδικασία δημιουργείται η απεικόνιση μιας εικόνας ΑΦΒ στο χώρο HSV. Σκοπός είναι να οπτικοποιήσουμε τα αποτελέσματα της μετάβασης στο χώρο HSV και να αναδειχθούν με αυτόν τον τρόπο οι διαφορές των 2 διαφορετικών χρωμάτων που μελετάμε. Παρακάτω παρατίθενται τα αποτελέσματα της ανάλυσης αυτής. Εικόνα 7.6 Εικόνα από το περιστατικό ΚΑ 1. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV Εικόνα 7.7 Εικόνα από το περιστατικό ΚΑ 2. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV 142

143 Κεφάλαιο 7 Ανάλυση Εικόνων ΑΦΒ σε Χρωματικό Επίπεδο Εικόνα 7.8 Εικόνα από το περιστατικό ΚΑ 3. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV Εικόνα 7.9 Εικόνα από το περιστατικό ΦΑ 1. Αριστερά η κανονική εικόνα ΑΦΒ και δεξιά η απεικόνισή της στο χώρο HSV 143