Βαςύλειοσ Μεγαλοοικονόμου. Τμόμα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικόσ Πανεπιςτόμιο Πατρών

Transcript

1 Βαςύλειοσ Μεγαλοοικονόμου Τμόμα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικόσ Πανεπιςτόμιο Πατρών

2 Ειςαγωγό Κύνητρο Στόχοσ Αναςκόπηςη Βιβλιογραφύασ Μεθοδολογύα Κωδικοπούηςη DFSE και Ανϊλυςη Όρων-Συχνοτότων Δεύκτησ Αςυμμετρύασ Fractal Ιδιότητεσ Ανϊλυςη Υφόσ Ανϊλυςη Sholl Περιπτώςεισ Χρόςησ Αγγειογραφύεσ Γαλακτογραφύεσ Επύλογοσ Συμπερϊςματα Μελλοντικϋσ Κατευθύνςεισ

3 Ειςαγωγή Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Αρκετϊ όργανα του ανθρώπινου ςώματοσ ϋχουν τοπολογύα δϋνδρου ό πλϋγματοσ αγγειακό δύκτυο βρογχικό δϋνδρο νευρικό ςύςτημα γαλακτοφόρο δϋνδρο Οπτικοπούηςη με μεθόδουσ υψηλόσ πιςτότητασ απεικόνιςησ Παραγωγό διςδιϊςτατων ό τριςδιϊςτατων εικόνων Αύξηςη τησ διαθεςιμότητασ των ιατρικών απεικονύςεων με τον χρόνο Ανϊγκη για ανϊπτυξη νϋων τεχνικών με ςκοπό την ανϊλυςη χαρακτηριςμό κατηγοριοπούηςη εύρεςη ομοιότητασ ομαδοπούηςη των εικόνων μϋςω των αντύςτοιχων τοπολογιών

4 Ειςαγωγή Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Άμεςοσ Αλγοριθμικόσ Στόχοσ Η ανϊπτυξη καινοτόμων μεθόδων για την εξόρυξη των παραμϋτρων που χαρακτηρύζουν τισ τοπολογύεσ δϋνδρων και πλεγμϊτων Απώτεροσ Αλγοριθμικόσ Στόχοσ Η καταςκευό εργαλεύων για τη δημιουργύα και τον ϋλεγχο κλινικών υποθϋςεων με βϊςη τα εξορυχθϋντα χαρακτηριςτικϊ Επιςτημονικόσ Σκοπόσ Η εύρεςη νϋων ςυςχετύςεων μεταξύ μορφολογύασ και λειτουργικότητασ Η διϊκριςη μεταξύ φυςιολογικών και παθολογικών καταςτϊςεων

5 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Αρκετϋσ ερευνητικϋσ εργαςύεσ ϋχουν μελετόςει τη ςυςχϋτιςη μορφολογικών γνωριςμϊτων των δενδρικών δομών με την εμφϊνιςη νοςημϊτων των αντύςτοιχων οργϊνων Συςχέτιςη μορφολογικών χαρακτηριςτικών δενδρικών δομών και νοςημάτων Όργανο Χαρακτηριςτικϊ δομών Νόςημα Νευρώνεσ εγκεφϊλου Πνεύμονασ Νεφρό Καρδιϊ Γαλακτοφόρο δζνδρο Πλόθοσ διακλαδώςεων, μϋςο μόκοσ κλαδιών, μϋςη διϊμετροσ κλαδιών [Wearne et al., 2005] Πλϊτοσ διακλαδώςεων αγγεύων [Kiraly et al., 2005] Πλόθοσ και πυκνότητα διακλαδώςεων αγγεύων [Website of University of Michigan Health System ] Πλϊτοσ, προςανατολιςμόσ και φωτεινότητα αγγεύων [Koehler et al., 2004] Πρότυπα διακλάδωςησ με χρήςη R- πινάκων [Bakic et al., 2003] Alzheimer και ϊλλα νευροεκφυλιςτικϊ νοςόματα Πνευμονικό εμβολό Σκληρόδερμα Στϋνωςη ςτεφανιαύων αγγεύων Ακτινολογικά ευρήματα μαςτικοφ καρκίνου S. L. Wearne, A. Rodriguez, D. B. Ehlenberger, A.B. Rocher, S. C. Henderson, P. R. Hof. New techniques for imaging, digitization and analysis of threedimensional neural morphology on multiple scales., Neurosience, vol. 136, A. Kiraly, D. Naidich, C. Novak. 2D display of a 3D tree for pulmonary embolism detection., International Congress Series 1281, Elsevier, H. Koehler, M. Couprie, S. Bouattour, D. Paulus. Extraction and analysis of coronary-tree from single X-ray angiographies.», Proceedings of SPIE, P. R. Bakic, M. Albert, A.D. Maidment. Classification of galacrograms with ramification matrices: preliminary results., Academic Radiology, vol. 10, 2003.

6 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Προ-επεξεργαςία Εικόνων Βελτύωςη ποιότητασ Κατϊτμηςη Ταυτοπούηςη Εντοπιςμόσ ROIs Εφαρμογή Μεθόδων Εξόρυξησ Δεδομένων Ανϊλυςη Τοπολογύασ Ανϊλυςη Υφόσ Ανϊλυςη Μορφολογύασ Ανάλυςη Ομοιότητασ Μετρικό Ομοιότητασ Καταςκευό Κατηγοριοποιητό

7 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Ανϊλυςη Δομών Μϋθοδοι Δϋνδρων Μϋθοδοι Δικτύων Γενικϋσ Μϋθοδοι Κωδικοπού ηςη DFSE και tf-idf Δεύκτησ Αςυμμετρύ ασ Fractal Ιδιότητεσ Κατανομό Σημεύων Διακλϊδω ςησ με Sholl Ανϊλυςη Υφόσ Ανϊλυςη Sholl Ποςοτικοπ ούηςη Στρεβλότη τασ

8 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Κατϊτμηςη ιατρικών εικόνων Κανονικοπούηςη δϋνδρων, breadth-first canonical form (BFCF) Ανϊθεςη ετικετών ςτουσ κόμβουσ με βϊςη τη Breadth-First Search λογικό Megalooikonomou V, Barnathan M, Kontos D, et al. A Representation and Classification Scheme for Tree-Like Structures in Medical Images: Analyzing the Branching Pattern of Ductal Trees in X-Ray Galactograms IEEE Trans Med Imaging (in press; Digital Object Identifier: /TMI )

9 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Κωδικοπούηςη δενδρικόσ τοπολογύασ χρηςιμοποιώντασ αλφαριθμητικϊ: Depth-first string κωδικοπούηςη (DFSE) 1 Prüfer κωδικοπούηςη { } { } DFSE Prüfer Ανϊθεςη βαρών w ij = tf ij idf i = tf ij log 2 (N / df i ) όπου tf ij = f ij / max {f ij } f ij = ςυχνότητα εμφϊνιςησ του όρου i ςτο string j, idf i = αντύςτροφη ςυχνότητα εμφϊνιςησ του όρου i = log 2 (N / df i ) df i = πλόθοσ strings που περιϋχουν τον όρο i, N = ςυνολικό πλόθοσ strings Ανϊλυςη ομοιότητασ με μετρικό ςυνημύτονου

10 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Skoura, Barnathan and Megalooikonomou, Proc. of 6 th IEEE International Symposium on Biomedical Imaging, 2009 J. Van Pelt, H.B. Uylings, R.W.Verwer, R.J. Pentney, M.J. Woldenberg. Tree asymmetry a sensitive and practical measure for binary topological trees., Bulletin of Mathematical Biology, vol. 54(5), pp , Υπολογιςμόσ του δεύκτη αςυμμετρύασ κϊθε δϋντρου (Skoura et al., 2009) Ο δεύκτησ αςυμμετρύασ ενόσ δϋντρου (tree asymmetry index, At) ορύζεται ωσ εξόσ (J. Van Pelt et al., 1992): όπου n εύναι το πλόθοσ των εςωτερικών κόμβων του δϋντρου, r εύναι το πλόθοσ των φύλλων που υπϊρχουν ςτο υποδϋντρο με ρύζα το αριςτερό παιδύ του κόμβου i, s εύναι το πλόθοσ των φύλλων που υπϊρχουν ςτο υποδϋντρο με ρύζα το δεξιό παιδύ του κόμβου i Ανϊλυςη ομοιότητασ των δϋνδρων με βϊςη την εγγύτητα των δεικτών αςυμμετρύασ Ο υπολογιςμόσ τησ εγγύτητασ πραγματοποιόθηκε μϋςω τησ Ευκλεύδειασ απόςταςησ

11 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Η τιμό τησ αςυμμετρύασ ενόσ δϋντρου κυμαύνεται από 0 για πλόρωσ ςυμμετρικϊ δϋντρα και τεύνει ςτο 1 για το δϋντρο το οπούο εύναι τελεύωσ αςύμμετρο και ϋχει ϊπειρο αριθμό εςωτερικών κόμβων Skoura, Barnathan and Megalooikonomou, Proc. of 6 th IEEE International Symposium on Biomedical Imaging, 2009

12 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Η ανϊλυςη με fractals χρηςιμοποιεύται για να περιγρϊψει ιδιότητεσ που δεν ερμηνεύονται από την παραδοςιακό Ευκλεύδεια γεωμετρύα Ο χαρακτηριςμόσ τησ τοπολογύασ του δϋνδρου γύνεται με βϊςη τισ fractal ιδιότητεσ Αρχικϊ, κϊθε δϋνδρο κωδικοποιόθηκε ωσ κυματομορφό ςύμφωνα με την πρώτα-κατϊ-βϊθοσ (depth-first string) κωδικοπούηςη D. Kontos, V. Megalooikonomou, A. Javadi, P. Bakic, A. Maidment, "Classification of Galactograms Using Fractal Properties of the Breast Ductal Network", Proceedings of the IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro (ISBI), Arlington, Virginia, April 6-9, 2006.

13 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ D. Kontos, V. Megalooikonomou, A. Javadi, P. Bakic, A. Maidment, "Classification of Galactograms Using Fractal Properties of the Breast Ductal Network", Proceedings of the IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro (ISBI), Arlington, Virginia, April 6-9, Υπολογιςμόσ τησ διϊςταςη κανονικοπούηςησ (regularization dimension) των μονοδιϊςτατων υπογραφών που αντιςτοιχούν ςτα δϋντρα ϋγινε με χρόςη του FracLab toolbox for Matlab (διαθϋςιμο on-line ςτο Lab/) Διερεύνηςη τησ ύπαρξησ ςτατιςτικώσ ςημαντικόσ διαφορϊσ μεταξύ τησ διϊςταςησ κανονικοπούηςησ ανϊμεςα ςτισ κλϊςεισ του προβλόματοσ

14 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ M. Barnathan, J. Zhang, D. Kontos, P. Bakic, A. Maidment, V. Megalooikonomou. «Analyzing tree-like structures in biomedical images based on texture and branching: An application to breast imaging.» Αρχικϊ οι εικόνεσ αναλύονται ςε μπλοκ ύδιου μεγϋθουσ Εφαρμογό διανυςματικού κβαντιςμού Αντιςτούχιςη κϊθε μπλοκ με την πληςιϋςτερη κωδικολϋξη (codeword) Οι κωδικολϋξεισ προϋρχονται από μια λύςτα κωδικών (codebook) που ϋχει δημιουργηθεύ από τον Generalized Lloyd Algorithm Βελτιςτοπούηςη τησ λύςτασ κωδικολϋξεων επαναληπτικϊ Όταν η βϋλτιςτη λύςτα κωδικών υπολογιςτεύ, κϊθε μπλοκ τησ εικόνασ κωδικοποιεύται και η εικόνα αναπαρύςταται ςαν ϋνα διϊνυςμα ςυχνοτότων των κωδικολϋξεων

15 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ M. Barnathan, J. Zhang, D. Kontos, P. Bakic, A. Maidment, V. Megalooikonomou. «Analyzing tree-like structures in biomedical images based on texture and branching: An application to breast imaging.» Ανϊλυςη ομοιότητασ με χρόςη του Μοντϋλου Ιςτογρϊμματοσ (Histogram Model, HM) Η μετρικό Sim HM ποςοτικοποιεύ την ομοιότητα μεταξύ τησ εικόνασερωτόματοσ Q και μιασ εικόνασ X ςτη βϊςη δεδομϋνων: 1 Sim HM ( X, Q) 1 dis( X, Q) με dis( X, Q) fi,x, fi,q: η ςυχνότητα εμφϊνιςη τησ codeword Ci ςτισ εικόνεσ X και Q αντύςτοιχα s: το μϋγεθοσ του codebook Χρόςη του κατηγοριοποιητό k-nearest neighbor (K-NN) για την κατηγοριοπούηςη των εικόνων ςε δύο κλϊςεισ (No radiological findings (NF) και Radiological findings (RF)) s f 1 i, x f i, q i 1 i, x i, q f f

16 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογία Περιπτώςεισ Χρόςησ Επύλογοσ Ανϊλυςη τησ τοπολογύασ μιασ δομόσ που απεικονύζεται ςτο χώρο των δύο διαςτϊςεων βαςιζόμενη ςτο διαχωριςμό του επιπϋδου ςε διαδοχικούσ ομόκεντρουσ κύκλουσ Οι ομόκεντροι κύκλοι ϋχουν κϋντρο το κεντρικό ςημεύο τησ περιοχόσ ενδιαφϋροντοσ Η διαφορϊ μεταξύ των ακτύνων δύο διαδοχικών κύκλων εύναι ςταθερό Εφαρμογϋσ Προςδιοριςμόσ τησ κατανομόσ των ςημεύων διακλϊδωςησ Προςδιοριςμόσ τησ πυκνότητασ των κλϊδων Προςϋγγιςη τησ ςτρεβλότητασ των κλϊδων Kagadis et al., Morphological characterization of arterial trees in an experimental hindlimb ischemia model, AAPM 2009

17 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρήςησ Επύλογοσ Στόχοσ Μορφολογικό ανϊλυςη των αρτηριακών δϋνδρων που απεικονύζονται ςε digital subtraction angiographic (DSA) εικόνεσ από ϋνα πειραματικό μοντϋλο hind limb ιςχαιμύασ Εντοπιςμόσ χαρακτηριςτικών μεταξύ normal, acute και chronic ischemic limbs Σύνολο Δεδομϋνων 6 αρτηριακϊ δϋνδρα (2 πλευρϋσ από 3 κουνϋλια) Η ιςχαιμύα προκλόθηκε την ημϋρα 0 ςτο ϋνα ιςχύο του πειραματόζωου Η επαναγγεύωςη με κανονικό αγγειογϋνεςη ολοκληρώθηκε την ημϋρα 40 Kagadis et al., Morphological characterization of arterial trees in an experimental hindlimb ischemia model, AAPM 2009

18 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρήςησ Επύλογοσ Προ-επεξεργαςύα Κατϊτμηςη Εντοπιςμόσ αναςτομώςεων Ανϊλυςη Κατηγοριοπούηςη Αξιολόγηςη Prüfer κωδικοπούηςη και tf-idf τεχικό Δεύκτησ Αςυμμετρύασ Ανϊλυςη Sholl k-nn κατηγοριοποιητόσ Μετρικό ομοιότητασ: Ευκλεύδεια Απόςταςη και Μετρικό Συνημύτονου αντύςτοιχα Υπολογιςμόσ Ακρύβειασ (Accuracy) ςε πειρϊματα κατηγοριοπούηςησ

19 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρήςησ Επύλογοσ Τα μορφολογικϊ πρότυπα μετρόθηκαν για τρεισ ομϊδεσ αρτηριακών δϋνδρων: chronic ischemic (group A), normal (group B) και acute ischemic (group C) Οι αρτηριακϋσ δομϋσ του group A παρουςιϊζουν μεγαλύτερη τοπολογικό ομοιότητα με τισ δομϋσ του group B ςε ςχϋςη με το group C (μϋςο ποςοςτό ομοιότητασ=78% και 66% αντύςτοιχα) Τα αρτηριακϊ δϋνδρα του group A εύναι πιο αςυμμετρικϊ και εμφανύζουν αυξημϋνη πυκνότητα κόμβων διακλϊδωςησ ςε ςχϋςη με τα ιςχαιμικϊ δϋνδρα του group C Similarity of topological patterns between two sides Prüfer tree encoding and tf-idf data mining technique Tree asymmetry index Branch density Day 0 Day 40 Day 0 Day 40 Day 0 Day 40 Rabbit 1 52% 71% Rabbit 2 73% 78% Rabbit 3 73% 85% Kagadis et al., Morphological characterization of arterial trees in an experimental hindlimb ischemia model, AAPM 2009

20 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρήςησ Επύλογοσ Σκοπόσ Συςχϋτιςη μορφολογικών χαρακτηριςτικών των γαλακτοφόρων δϋνδρων με ακτινολογικϊ ευρόματα του καρκύνου του μαςτού Σύνολο Δεδομϋνων Πραγματικϊ κλινικϊ δεδομϋνα από το Thomas Jefferson University Hospital και το Hospital of the University of Pennsylvania 52 γαλακτογραφύεσ από γυναύκεσ ηλικύασ από 28 ϋωσ 75 ετών Από τισ γαλακτογραφύεσ αυτϋσ, οι 38 αντιςτοιχούςαν ςε γυναύκεσ χωρύσ ακτινολογικϊ ευρόματα (No Findings, NF) και οι 15 αντιςτοιχούςαν ςε γυναύκεσ με ακτινολογικϊ ευρόματα (Reported Findings, RF) Skoura, Barnathan and Megalooikonomou, Proc. of 6 th IEEE International Symposium on Biomedical Imaging, 2009

21 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρήςησ Επύλογοσ Προ-επεξεργαςύα Κατϊτμηςη Ανϊλυςη Κατηγοριοπούηςη Αξιολόγηςη Δεύκτησ Αςυμμετρύασ Ανϊλυςη Sholl k-nn κατηγοριοποιητόσ Μετρικό ομοιότητασ: Ευκλεύδεια Απόςταςη και Μετρικό Συνημύτονου αντύςτοιχα Υπολογιςμόσ Ακρύβειασ (Accuracy) ςε πειρϊματα κατηγοριοπούηςησ Skoura, Barnathan and Megalooikonomou, Proc. of 6 th IEEE International Symposium on Biomedical Imaging, 2009

22 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρήςησ Επύλογοσ Τα πειραματικϊ αποτελϋςματα ϋδειξαν ότι οι δύο τεχνικϋσ μπορούν να χρηςιμοποιηθούν για την κατηγοριοπούηςη των γαλακτογραφιών ςτισ δύο ομϊδεσ (NF, RF) k Sholl Classification Experiments Accuracy Tree asymmetry Prüfer/tf-idf [Megalooikononou et al. 2009] Total NF RF Total NF RF Total NF RF 1 61,6% 61,5% 61,7% 61,1% 58,3% 64% 41% 49,1% 32% 2 75,5% 70% 81% 81,3% 72,9% 89,6% 67,8% 75,1% 60% 3 38,6% 19% 58,2% 38,9% 43,9% 33,9% 40,1% 49,6% 32% 4 57% 47% 67% 58,1% 68,8% 47,3% 64,5% 71,6% 57,2% 5 20,6% 10,6% 34,7% 44,7% 52,1% 37,3% 43,7% 49,2% 38,2% Skoura, Barnathan and Megalooikonomou, Proc. of 6 th IEEE International Symposium on Biomedical Imaging, 2009

23 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρόςησ Επίλογοσ Συνειςφορϊ ςτην ανϊλυςη ςύνθετων διςδιϊςτατων (2Δ) και τριςδιϊςτατων (3Δ) εικόνων οι οπούεσ αναπαριςτούν δϋνδρα και πλϋγματα Εντοπιςμόσ και ποςοτικοπούηςη χαρακτηριςτικών που διϋπουν τισ τοπολογύεσ δϋνδρων και πλεγμϊτων Συςχϋτιςη των εξορυχθϋντων χαρακτηριςτικών (μορφολογύα) με τη λειτουργικότητα και την παθολογύα των απεικονιζόμενων οργϊνων Εφαρμογϋσ: Έγκαιρη διϊγνωςη αςθενειών Εντοπιςμόσ του ςταδύου εξϋλιξησ μιασ νόςου Η ολοκληρωμϋνη προςϋγγιςη των αναπτυχθϋντων αλγορύθμων θα ςυμβϊλλει ςτην δημιουργύα ακριβϋςτερων διαγνωςτικών εργαλεύων που θα υποβοηθούν την ιατρικό διϊγνωςη

24 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρόςησ Επίλογοσ Επύλυςη του προβλόματοσ των ψευδών αναςτομώςεων Μελϋτη επιπλϋον ιδιοτότων των δενδρικών δομών Γενύκευςη των ιδιοτότων που μελετόθηκαν ςε δύκτυα Ενςωμϊτωςη των μεθόδων ςε μια νϋα μϋθοδο για μεγιςτοπούηςη τησ ακρύβειασ

25 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρόςησ Επίλογοσ Γ. Νικηφορύδησ Γ. Καγκϊδησ Α. Σκούρα Α. Διαμαντόπουλοσ Κ. Κατςϊνοσ Δ. Καρναμπατύδησ Δ. Μηχαώλύδησ Δ. Κοντού P. R. Bakic A. D.A. Maidment M. Barnathan H. Ling E. Cheng N. Xie J. Zhang

26 Ειςαγωγό Αναςκόπηςη Μεθοδολογύα Περιπτώςεισ Χρόςησ Επίλογοσ