ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ Υπολογιστική επεξεργασία και ανάλυση ακολουθιών εικόνων υπερήχων της καρωτίδας: Συσχέτιση με τη μηχανική συμπεριφορά του αρτηριακού τοιχώματος ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Γιάννης Σ. Στοΐτσης Αθήνα, Νοέμβριος 2007
ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ Υπολογιστική επεξεργασία και ανάλυση ακολουθιών εικόνων υπερήχων της καρωτίδας: Συσχέτιση με τη μηχανική συμπεριφορά του αρτηριακού τοιχώματος ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Γιάννης Σ. Στοΐτσης Συμβουλευτική Επιτροπή : Κωνσταντίνα Σ. Νικήτα Δημήτριος-Διονύσιος Κουτσούρης Νικόλαος Κ. Ουζούνογλου Εγκρίθηκε από την επταμελή εξεταστική επιτροπή την... Κ. Νικήτα Καθηγήτρια ΕΜΠ... Σ. Κόλλιας Καθηγητής ΕΜΠ... Δ. Κουτσούρης Καθηγητής ΕΜΠ... Η. Μπαστούνης Καθηγητής Ιατρικής Σχολής Πανεπιστημίου Αθηνών... Σ. Τσαγγάρης Καθηγητής ΕΜΠ... Ν. Ουζούνογλου Καθηγητής ΕΜΠ... Ν. Παλληκαράκης Καθηγητής Ιατρικής Φυσικής Πανεπιστημίου Πατρών Αθήνα, Νοέμβριος 2007
... Γιάννης, Σ. Στοΐτσης Διδάκτωρ Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Ηλεκτρονικών Υπολογιστών. Copyright Γιάννης, Σ. Στοΐτσης, 2007. 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.
Περίληψη Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει στόχο την υπολογιστική υποβοήθηση της διάγνωσης της αθηρωμάτωσης μέσω της ανάπτυξης και εφαρμογής προηγμένων μεθοδολογιών επεξεργασίας και ανάλυσης ακολουθιών εικόνων υπερήχων β-σάρωσης της καρωτίδας. Οι μέθοδοι που παρουσιάζονται στη διατριβή αξιολογούνται τόσο σε συνθετικά όσο και σε πραγματικά απεικονιστικά δεδομένα. Μετά από διεξοδική μελέτη προτείνονται οι κατάλληλες ρυθμίσεις της υπερηχοτομογραφικής διάταξης καθώς και η εφαρμογή διαδικασίας κανονικοποίησης των λαμβανομένων εικόνων, με στόχο τη βελτιστοποίηση του αποτελέσματος των διαδικασιών επεξεργασίας εικόνας. Για την ανάλυση της υφής της αθηρωματικής πλάκας στην καρωτίδα, προτείνονται και αξιολογούνται συγκριτικά τρεις τεχνικές μετασχηματισμού: μετασχηματισμός Fourier, μετασχηματισμός κυματιδίου και φίλτρα Gabor. Αποδεικνύεται ότι χαρακτηριστικά υφής που υπολογίζονται τόσο με βάση το μετασχηματισμό κυματιδίου όσο και με τα φίλτρα Gabor μπορούν να διαχωρίσουν τους δυο τύπους αθηρωματικών πλακών (συμπτωματικές και ασυμπτωματικές). Για την εκτίμηση της κίνησης του τοιχώματος της καρωτίδας προτείνονται και αξιολογούνται τέσσερις μέθοδοι, από τις οποίες η μέθοδος της οπτικής ροής ελαχίστων τετραγώνων με βάρη βρέθηκε να έχει τη βέλτιστη απόδοση. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της μετατόπισης τόσο του υγιούς τοιχώματος της καρωτίδας, όσο και τοιχώματος με ασυμπτωματική ή συμπτωματική αθηρωματική πλάκα. Επιπλέον, προτείνεται μια αυτόματη μέθοδος κατάτμησης του τοιχώματος της καρωτίδας από διαμήκεις και εγκάρσιες εικόνες υπερήχων, η οποία βασίζεται στο μετασχηματισμό Hough. Η προτεινόμενη μεθοδολογία χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό χρήσιμων για τη διάγνωση ποσοτικών δεικτών, όπως το πάχος του έσω-μέσου χιτώνα και οι κυματομορφές μεταβολής της αρτηριακής διαμέτρου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η εν γένει υψηλή ακρίβεια της μεθόδου περιορίζεται για την περίπτωση εγκάρσιων τομών και αθηρωμάτωσης. Για τη βελτίωση του αποτελέσματος της κατάτμησης σε αυτές τις περιπτώσεις, προτείνεται ο συνδυασμός του μετασχηματισμού Hough με ενεργές καμπύλες. Η μελέτη της κίνησης του αρτηριακού τοιχώματος συμπληρώνεται με ένα μαθηματικό μοντέλο για την παραμόρφωση του αρτηριακού τοιχώματος κατά την ακτινική και αξονική διεύθυνση. Για την εξατομίκευση του μοντέλου και τον προσδιορισμό των παραμέτρων του, πραγματοποιείται προσαρμογή σε πραγματικές μετρήσεις της παραμόρφωσης, που υπολογίζονται με εφαρμογή της μεθόδου ανάλυσης κίνησης σε ακολουθίες εικόνων συγκεκριμένων ασθενών. Ορισμένες παράμετροι του μαθηματικού μοντέλου βρέθηκαν να διαφοροποιούνται σημαντικά μεταξύ των στρωμάτων του αρτηριακού τοιχώματος αλλά και μεταξύ υγιούς τοιχώματος και τοιχώματος με αθηρωμάτωση. Η υλοποίηση των παραπάνω μεθοδολογιών σε συνδυασμό με κατάλληλη διεπιφάνεια χρήσης οδήγησε στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου σύστηματος λογισμικού (ANALYSIS), το οποίο στοχεύει στην υποβοήθηση της διάγνωσης της αθηρωμάτωσης της καρωτίδας. Το σύνολο των μεθόδων που παρουσιάζονται στη διδακτορική διατριβή αναμένεται να συμβάλουν αφενός στη μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς του φυσιολογικού και αθηρωματικού αρτηριακού τοιχώματος και αφετέρου στην καθιέρωση μιας πιο αντικειμενικής και αξιόπιστης προσέγγισης για τη διάγνωση της αθηρωμάτωσης και την επιλογή ασθενών υποψήφιων για ενδαρτηρεκτομή. Λέξεις κλειδιά Απεικόνιση με υπερήχους, καρωτίδα, αθηρωμάτωση, προσομοίωση πεδίου υπερήχων, ανάλυση κίνησης, ανάλυση υφής, κατάτμηση, μαθηματικά μοντέλα κίνησης, υπολογιστικό σύστημα υποβοήθησης διάγνωσης
Abstract The purpose of this Ph.D. thesis is to develop and apply advanced image processing and analysis methods to sequences of B-mode ultrasound images of the carotid artery aiming to support the diagnosis of carotid atherosclerosis. The computational methods, presented in the thesis, are applied to both synthetic and real ultrasound data. Based on the findings of a carefully designed study, optimal ultrasound device settings are proposed for reliable motion estimation. Standardized techniques, including image normalization, are also recommended for image processing tasks. Texture analysis of the carotid atheromatous plaque was performed using three transform-based methods (Fourier transform, Wavelet transform and Gabor filters). Texture features estimated using the discrete 2D Wavelet transform and the Gabor filters are found significantly different between symptomatic and asymptomatic subjects. Four different approaches are proposed for the analysis of motion of the carotid artery wall and a validation study is performed using simulated data. The weighted least-squares optical flow method is found to have the best performance. This method is subsequently used to analyze the motion of the healthy carotid artery wall, as well as of the arterial wall with asymptomatic and symptomatic atheromatous plaque. Moreover, an automatic segmentation method based on Hough transform is proposed for the segmentation of the arterial wall from B-mode ultrasound images of longitudinal and transverse sections of the carotid artery. The method can be used for the estimation of widely used diagnostic measures, such as the intima-media thickness and the arterial distension waveforms. The accuracy of the method was reasonably high for longitudinal sections and somewhat lower for transverse sections and diseased arteries. A combination of Hough transform and active contours is proposed to improve the segmentation results in those cases. A mathematical model of the mechanical deformation of the carotid artery wall is also proposed. In an attempt to determine a patient-specific approach, the model is fitted to actual displacement waveforms estimated using the leastsquares optical flow method to B-mode ultrasound image sequences of the carotid artery. A number of model parameters are found significantly different between different layers of the arterial wall and between healthy and diseased wall. The previous methods for the processing and analysis of B-mode ultrasound images of the carotid artery are integrated to a modular software system (ANALYSIS). ANALYSIS can be a useful and powerful tool for the diagnosis of carotid atherosclerosis. The computational methods presented in this thesis are expected to contribute not only to the study of the mechanical behavior of the healthy and diseased carotid artery wall but also to the definition of an objective and reliable approach for the diagnosis of carotid atherosclerosis and the optimal selection of patients for carotid endarterectomy. Keywords Ultrasound imaging, carotid artery, atherosclerosis, ultrasound simulation, motion analysis, texture analysis, segmentation, mathematical modeling, computer-aided diagnosis
Στοΐτσης Γιάννης 10
Πρόλογος Πρόλογος Έχει δειχθεί ότι η αθηροσκλήρωση, που αποτελεί μια από τις βασικές αιτίες θνησιμότητας στο δυτικό κόσμο, είναι μια εντοπισμένη νόσος. Μία από τις σημαντικές περιοχές του αρτηριακού συστήματος όπου εντοπίζεται η νόσος είναι η καρωτίδα, η αρτηρία που τροφοδοτεί με αίμα τον εγκέφαλο. Η αθηροσκλήρωση στην καρωτίδα είναι η βασικότερη αιτία εμφάνισης εγκεφαλικών επεισοδίων. Η απεικόνιση της καρωτίδας με τεχνολογία υπερήχων χρησιμοποιείται ευρέως στη διάγνωση της αθηροσκλήρωσης. Η απεικόνιση αυτή επιτρέπει τη μη-επεμβατική εκτίμηση πλήθους παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τη σοβαρότητα της νόσου, όπως ο βαθμός της στένωσης και η ταχύτητα της αιματικής ροής γύρω από την πλάκα. Τα τελευταία χρόνια, τα επιτεύγματα στο χώρο της επεξεργασίας ψηφιακής εικόνας επέτρεψαν την ανάπτυξη υπολογιστικών μεθόδων για την εξαγωγή ποσοτικών δεικτών με διαγνωστική αξία από εικόνες υπερήχων της καρωτίδας. Επιπλέον, πρόσφατα επιτεύγματα στη μοριακή και κυτταρική βιολογία υποδεικνύουν την σημασία των μηχανικών παραγόντων στη ρύθμιση της δομής και της λειτουργίας των κυττάρων και του εξωκυτταρικού πλέγματος στην αγγείωση. Επομένως, περισσότερο από ποτέ υπάρχει κίνητρο για τον ακριβή υπολογισμό των πεδίων τάσης και παραμόρφωσης στο αρτηριακό τοίχωμα καθώς και πως αυτά τα πεδία μεταβάλλονται με την ασθένεια και τη θεραπεία. Παρόλο που υπάρχει εκτεταμένη βιβλιογραφία για τη μηχανική των αρτηριών, η κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν τη μηχανική συμπεριφορά του τοιχώματος των αρτηριών είναι ακόμα ελλιπής. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι να συμπληρώσει και να επεκτείνει τα ευρήματα προηγούμενων μελετών σχετικών με την υπολογιστική υποβοήθηση της διάγνωσης της αθηρωμάτωσης στην καρωτίδα. Στο πλαίσιο της διατριβής παρουσιάζεται ένα σύνολο μεθοδολογιών που αναπτύχθηκαν για την υπολογιστική υποβοήθηση της διάγνωσης της αθηρωμάτωσης στην καρωτίδα. Οι μεθοδολογίες αυτές να μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή ποσοτικών διαγνωστικών δεικτών από την επεξεργασία εικόνων υπερήχων β-σάρωσης. Επιπρόσθετα, τα αποτελέσματα των προτεινόμενων μεθοδολογιών αναμένεται να βελτιώσουν το επίπεδο γνώσης για τη μηχανική συμπεριφορά του τοιχώματος της καρωτίδας. Η παρούσα διατριβή δομείται ως εξής: 11
Στοΐτσης Γιάννης Στο κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται μια σύντομη εισαγωγή στην ανατομία και φυσιολογία της καρωτίδας, την ανάπτυξη και διάγνωση της αθηρωμάτωσης στην καρωτίδα και την απεικόνιση της καρωτίδας με την τεχνική των υπερήχων. Επιπλέον, πραγματοποιείται μια εκτεταμένη βιβλιογραφική επισκόπηση των υπολογιστικών μεθόδων που έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση εικόνων και ακολουθιών υπερήχων της καρωτίδας. Στο κεφάλαιο 2 πραγματοποιείται περιγραφή των δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο της διατριβής και αφορούν τόσο σε συνθετικά όσο και πραγματικά δεδομένα. Στο κεφάλαιο 3 εξετάζονται οι ρυθμίσεις της διάταξης υπερήχων που επηρεάζουν τα αποτελέσματα ανάλυσης κίνησης του τοιχώματος της καρωτίδας και καθορίζεται ένα σύνολο από βέλτιστες ρυθμίσεις για την αξιόπιστη μελέτη κίνησης. Στο κεφάλαιο 4 πραγματοποιείται μελέτης της υφής της αθηρωματικής πλάκας με χρήση υπολογιστικών μεθόδων μετασχηματισμού και καθορίζεται η ικανότητα κάθε τεχνικής ως προς τον διαχωρισμό μεταξύ συμπτωματικών και ασυμπτωματικών αθηρωματικών πλακών. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα τεσσάρων διαφορετικών προσεγγίσεων ανάλυσης κίνησης από ακολουθίες εικόνων υπερήχων β- σάρωσης της καρωτίδας, και με βάση τα αποτελέσματα της συνθετικής μελέτης προτείνεται η βέλτιστη μεθοδολογία ανάλυσης κίνησης. Επιπλέον, παρουσιάζονται αποτελέσματα ανάλυσης κίνησης με εφαρμογή της βέλτιστης μεθόδου σε πραγματικά δεδομένα υπερήχων β-σάρωσης. Στο κεφάλαιο 6 διερευνάται η εφαρμογή του μετασχηματισμού Hough για την κατάτμηση του τοιχώματος της καρωτίδας από διαμήκεις και εγκάρσιες εικόνες υπερήχων β-σάρωσης. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται μια προσέγγιση για την κατάτμηση του τοιχώματος της καρωτίδας που βασίζεται στο συνδυασμό του μετασχηματισμού Hough και των ενεργών καμπυλών. Στο κεφάλαιο 7 προτείνεται ένα μαθηματικό μοντέλο της παραμόρφωσης του τοιχώματος της καρωτίδας και παρουσιάζονται αποτελέσματα προσαρμογής του μοντέλου σε πραγματικές μετρήσεις παραμόρφωσης από ακολουθίες εικόνων υπερήχων β-σάρωσης της καρωτίδας. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται η ενσωμάτωση των αλγορίθμων επεξεργασίας και ανάλυσης ακολουθιών εικόνων υπερήχων της καρωτίδας σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα λογισμικού. Επιπρόσθετα, στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται αποτελέσματα αξιολόγησης 12
Πρόλογος του συστήματος για την υποβοήθηση της διάγνωσης της αθηρωμάτωσης της καρωτίδας από ακολουθίες εικόνων υπερήχων β-σάρωσης. Η διατριβή ολοκληρώνεται με το κεφάλαιο 9, στο οποίο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και η προτάσεις για επέκταση και μελλοντική έρευνα. Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στη Μονάδα Βιοϊατρικών Προσομοιώσεων και Απεικονιστικής Τεχνολογίας, της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου στο πλαίσιο του Διατμηματικού Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών στη Βιοϊατρική Τεχνολογία., το οποίο συνδιοργανώνεται από τα τμήματα Ιατρικής του Πανεπιστημίου Πατρών, Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών και Μηχανολόγων Μηχανικών, του Ε.Μ.Π. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά την καθηγήτρια Κωνσταντίνα Νικήτα, που κατά αρχήν μου έδωσε την ευκαιρία να εκπονήσω τη διδακτορική διατριβή και με στήριξε επιστημονικά και ηθικά σε όλη τη διάρκεια της δύσκολης αυτής προσπάθειας. Η μεθοδικότητα και η επιστημονική κατάρτιση που την διακρίνει, έπαιξε σημαντικό ρόλο για την ολοκλήρωση της διατριβής ενώ θα αποτελέσει σημείο αναφοράς στα επόμενα επαγγελματικά μου βήματα. Επιπρόσθετα, θα ήθελα να ευχαριστήσω την Δρ. Σπυρέττα Γολεμάτη για την επιστημονική καθοδήγηση και για τις εποικοδομητικές συζητήσεις σε όλη τη διάρκεια της διατριβής. Η άρτια συνεργασία μας, επέτρεψε τον καθορισμό μεθοδολογιών, την αποτελεσματική ανάλυση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στο προσωπικό του εργαστηρίου Irvine, του Νοσοκομείου St. Mary s του Λονδίνου και του Εργαστηρίου Καρδιάς Αγγείων του Ιδρύματος Ιατροβιολογικών Ερευνών της Ακαδημίας Αθηνών, για την συνεισφορά τους στην καταγραφή των ακολουθιών εικόνων υπερήχων. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω όλα τα μέλη του εργαστηρίου, παλιά και νέα, για την εποικοδομητική συνεργασία και την δημιουργία ευχάριστου περιβάλλοντος. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω την Δρ. Σταυρούλα Μουγιακάκου, και τους υποψήφιους διδάκτορες Μαρία Χριστοπούλου, Γιώργο Γιαννακάκη και Γιάννη Βαλαβάνη που μοιράστηκαν μαζί μου εμπειρίες και ιδέες για την αντιμετώπιση επιστημονικών προβλημάτων. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα Τσιαπάρα Νίκο για τη συμβολή του στη μελέτη των εικόνων με τη χρήση του μετασχηματισμού κυματιδίου, τον υποψήφιο διδάκτορα Αλέξανδρο Δημόπουλο για τη συνεργασία του σε θέματα υπολογισμού της 13
Στοΐτσης Γιάννης οπτικής ροής και τον υποψήφιο διδάκτορα Μανώλη Σιφάκη για τη συνεργασία του στο θέμα του μετασχηματισμού Hough. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τη σύντροφό μου για την αγάπη και την υπομονή που έδειξαν. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους φίλους μου που μου στάθηκαν σε αυτή την πορεία και συνέβαλαν με αυτό τον τρόπο στην ολοκλήρωση αυτής της δύσκολης προσπάθειας. 14
Στους γονείς μου Στέφανο και Κωνσταντία 15
Περιεχόμενα Περιεχόμενα Πρόλογος... 11 Περιεχόμενα... 17 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή... 23 1.1 Ανατομία και φυσιολογία της καρωτίδας Μηχανική συμπεριφορά του αρτηριακού τοιχώματος... 23 1.2 Απεικόνιση της καρωτίδας με χρήση υπερήχων... 27 1.3 Διάγνωση αθηρωμάτωσης στην καρωτίδα με χρήση υπερήχων... 30 1.3.1 Περιορισμοί της απεικόνισης με χρήση υπερήχων β-σάρωσης... 31 1.4 Μέθοδοι υπολογιστικής υποστήριξης διάγνωσης της αθηρωμάτωσης στην καρωτίδα... 32 1.4.1 Ανάλυση υφής της αθηρωματικής πλάκας στην καρωτίδα... 33 1.4.2 Ανάλυση κίνησης του αρτηριακού τοιχώματος από ακολουθίες εικόνων υπερήχων... 35 1.4.3 Κατάτμηση του τοιχώματος της καρωτίδας... 37 1.4.4 Μοντελοποίηση μηχανικής συμπεριφοράς του αρτηριακού τοιχώματος... 39 1.4.5 Επιλογή εύρωστων χαρακτηριστικών και ταξινόμηση... 40 1.5 Σκοπός της διατριβής... 41 1.6 Αναφορές... 43 Κεφάλαιο 2: Περιγραφή απεικονιστικών δεδομένων της καρωτίδας με χρήση υπερήχων... 51 2.1 Εισαγωγή... 51 2.2 Βασικές αρχές απεικόνισης υπερήχων... 51 2.3 Συνθετικά απεικονιστικά δεδομένα υπερήχων β-σάρωσης της καρωτίδας... 55 2.3.1 Προσομοίωση πεδίου υπερήχων... 55 2.3.1.1. Γραμμική ακουστική... 55 2.3.1.2. Μεθοδολογία προσομοίωσης... 57 2.3.1.3. Ανατομικά ομοιώματα... 60 2.3.2 Δημιουργία ρεαλιστικών εικόνων και ακολουθιών εικόνων υπερήχων Β-σάρωσης... 60 2.4 Πραγματικά απεικονιστικά δεδομένα υπερήχων β-σάρωσης της καρωτίδας... 64 2.4.1 Πρωτόκολλο καταγραφής ακολουθιών εικόνων υπερήχων β-σάρωσης... 64 2.4.2 Καταγραφή ακολουθιών εικόνων υπερήχων υγιών ατόμων για διαφορετικές ρυθμίσεις της διάταξης υπερήχων... 65 2.4.3 Καταγραφή ακολουθιών εικόνων υπερήχων υγιών ατόμων και ασθενών με αθηρωμάτωση... 66 2.4.3.1. Περιπτώσεις υγιούς τοιχώματος... 67 17
Στοΐτσης Γιάννης 2.4.3.2. Περιπτώσεις τοιχώματος με αθηρωμάτωση... 69 2.5 Αναφορές... 71 Κεφάλαιο 3: Μελέτη της επίδρασης των ρυθμίσεων της διάταξης υπερήχων και της κανονικοποίησης εικόνων στην ανάλυση κίνησης του αρτηριακού τοιχώματος... 73 3.1 Εισαγωγή... 73 3.2 Μεθοδολογία... 75 3.2.1 Διαδικασίες συλλογής και κανονικοποίησης εικόνων... 75 3.2.2 Ανάλυση κίνησης από ακολουθίες εικόνων... 77 3.3 Αποτελέσματα... 78 3.4 Συζήτηση Συμπεράσματα... 81 3.5 Αναφορές... 85 Κεφάλαιο 4: Ανάλυση της υφής αθηρωματικής πλάκας στην καρωτίδα από εικόνες υπερήχων β-σάρωσης... 87 4.1 Εισαγωγή... 87 4.1.1 Δομικές Μέθοδοι... 89 4.1.2 Τεχνικές βασισμένες σε μοντέλα... 89 4.1.3 Στατιστικές μέθοδοι... 90 4.1.4 Τεχνικές μετασχηματισμού... 90 4.2 Μεθοδολογία ανάλυσης υφής της αθηρωματικής πλάκας... 91 4.2.1 Περιγραφή δεδομένων... 91 4.2.2 Υπολογισμός μεσαίας τιμής φωτεινότητας... 92 4.2.3 Ανάλυση υφής εικόνων υπερήχων με χρήση του μετασχηματισμού Fourier... 92 4.2.4 Εκτίμηση της υφής με χρήση της θεωρίας κυματιδίου... 94 4.2.5 Εκτίμηση υφής με χρήση φίλτρων Gabor... 96 4.2.5.1. Επιλογή παραμέτρων για την ανάλυση υφής με φίλτρα Gabor... 99 4.3 Στατιστική αποτίμηση των αποτελεσμάτων... 100 4.3.1 Επιλογή χαρακτηριστικών... 100 4.3.2 Η μέθοδος Bootstrap... 101 4.3.2.1. Μεθοδολογία δημιουργίας Bootstrap συνόλων... 101 4.3.2.2. Μεθοδολογία σύγκρισης μέσων τιμών... 102 4.4 Αποτελέσματα... 105 4.5 Συμπεράσματα - Συζήτηση... 112 4.6 Αναφορές... 115 18
Περιεχόμενα Κεφάλαιο 5: Εκτίμηση της κίνησης του τοιχώματος της καρωτίδας από ακολουθίες εικόνων υπερήχων β-σάρωσης... 119 5.1 Εισαγωγή... 119 5.2 Το πρόβλημα υπολογισμού της κίνησης... 121 5.3 Μέθοδοι υπολογισμού κίνησης... 122 5.3.1 Η μέθοδος της οπτικής ροής... 123 5.3.2 Η μέθοδος της οπτικής ροής ελαχίστων τετραγώνων με βάρη... 124 5.3.3 Η μέθοδος της ταύτισης περιοχών... 125 5.3.4 Η μέθοδος του αφινικού μοντέλου κίνησης... 126 5.4 Κατάτμηση του πεδίου κίνησης... 128 5.5 Ανάλυση κίνησης για συνθετικά δεδομένα... 130 5.5.1 Συνθετικές ακολουθίες εικόνων... 130 5.5.1.1. Δημιουργία συνθετικής ακολουθίας με βάση μια πραγματική εικόνα υπερήχων και διαφορετικά επίπεδα θορύβου... 131 5.5.1.2. Δημιουργία συνθετικής ακολουθίας με χρήση λογισμικού προσομοίωσης του πεδίου υπερήχων... 132 5.5.2 Μοντέλο κίνησης του τοιχώματος της καρωτίδας... 133 5.5.3 Καθορισμός βέλτιστων παραμέτρων για τις μεθόδους ανάλυσης κίνησης... 134 5.5.4 Προεπεξεργασία εικόνων και επιλογή των περιοχών μελέτης... 135 5.5.5 Δείκτης αποτίμησης της ακρίβειας εκτίμησης της κίνησης... 136 5.5.6 Αποτελέσματα συνθετικής μελέτης... 136 5.6 Εκτίμηση κίνησης από πραγματικές ακολουθίες εικόνων υπερήχων της καρωτίδας... 140 5.6.1 Περιγραφή δεδομένων... 140 5.6.2 Κατάτμηση του πεδίου κίνησης... 141 5.6.3 Υπολογισμός πεδίου ταχύτητας... 143 5.6.4 Εκτίμηση παραμόρφωσης του τοιχώματος της καρωτίδας... 145 5.7 Συζήτηση-Συμπεράσματα... 150 5.8 Αναφορές... 154 Κεφάλαιο 6: Κατάτμηση του τοιχώματος της καρωτίδας από διαμήκεις και εγκάρσιες εικόνες υπερήχων με χρήση μετασχηματισμού Hough... 157 6.1 Εισαγωγή... 157 6.2 Περιγραφή απεικονιστικών δεδομένων και σχεδιασμός μελέτης... 158 6.3 Μεθοδολογία κατάτμησης εικόνων υπερήχων της καρωτίδας βασισμένη στον μετασχηματισμό Hough... 159 19
Στοΐτσης Γιάννης 6.3.1 Κατάτμηση των ορίων του τοιχώματος της καρωτίδας από διαμήκεις και εγκάρσιες τομές 159 6.3.2 Υπολογισμός του IMT από εικόνες διαμήκων τομών... 165 6.4 Αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας... 166 6.5 Υπολογισμός της διαμέτρου του αγγείου με χρήση της τεχνικής ταύτισης περιοχών... 168 6.6 Εφαρμοσιμότητα του μετασχηματισμού Hough σε αρτηρίες με αθηρωμάτωση... 169 6.7 Συνδυαστική προσέγγιση μετασχηματισμού Hough και ενεργών καμπυλών... 169 6.7.1 Ενεργές καμπύλες... 170 6.7.2 Μέθοδος ενεργών καμπυλών βασισμένη σε πεδίο ροής του διανύσματος κλίσης (Gradient Vector Flow)... 171 6.8 Στατιστική Ανάλυση... 173 6.9 Αποτελέσματα... 174 6.10 Συζήτηση... 187 6.11 Συμπεράσματα... 193 Αναφορές... 194 Κεφάλαιο 7: Μαθηματική μοντελοποίηση της μηχανικής παραμόρφωσης του τοιχώματος της καρωτίδας... 197 7.1 Εισαγωγή... 197 7.2 Μεθοδολογία μοντελοποίησης της παραμόρφωσης του τοιχώματος της καρωτίδας... 198 7.2.1 Περιγραφή απεικονιστικών δεδομένων και σχεδιασμός μελέτης... 198 7.2.2 Μαθηματικό μοντέλο παραμόρφωσης για την ακτινική διεύθυνση... 199 7.2.3 Μαθηματικό μοντέλο παραμόρφωσης για την αξονική διεύθυνση... 201 7.2.4 Προσαρμογή του μοντέλου στα πραγματικά δεδομένα... 203 7.2.5 Στατιστική ανάλυση... 204 7.3 Αποτελέσματα... 204 7.3.1 Μοντέλο παραμόρφωσης για την ακτινική μετατόπιση... 204 7.3.2 Μοντέλο παραμόρφωσης για την αξονική μετατόπιση... 208 7.4 Συζήτηση Συμπεράσματα... 210 7.5 Αναφορές... 214 Κεφάλαιο 8: Ολοκληρωμένο σύστημα επεξεργασίας και ανάλυσης αγγειακών εικόνων υπερήχων... 215 8.1 Εισαγωγή... 215 8.2 Αρχιτεκτονική υπολογιστικού συστήματος υποβοήθησης της διάγνωσης... 216 8.2.1 Διαχείριση δεδομένων... 216 20
Περιεχόμενα 8.2.2 Προεπεξεργασία εικόνας... 217 8.2.3 Κατάτμηση εικόνας... 218 8.2.4 Εξαγωγή χαρακτηριστικών... 219 8.2.4.1. Χαρακτηριστικά υφής... 219 8.2.4.2. Χαρακτηριστικά κίνησης... 221 8.2.4.3. Γεωμετρικά χαρακτηριστικά... 222 8.2.5 Αξιολόγηση αποτελεσμάτων... 223 8.2.5.1. Στατιστικές μέθοδοι... 223 8.2.5.2. Μέθοδοι επαναδειγματοληψίας... 223 8.2.6 Ταξινόμηση ποσοτικών χαρακτηριστικών... 223 8.3 Αποτελέσματα... 224 8.3.1 Ανάπτυξη συστήματος... 224 8.4 Συζήτηση Συμπεράσματα... 230 8.5 Αναφορές... 233 Κεφάλαιο 9: Γενικά συμπεράσματα και μελλοντικές προοπτικές... 235 9.1 Γενικά συμπεράσματα... 235 9.2 Μελλοντικές προοπτικές... 237 9.3 Αναφορές... 240 Υπότιτλοι Σχημάτων... 241 Υπέρτιτλοι Πινάκων... 249 Δημοσιεύσεις... 251 21
Στοΐτσης Γιάννης 22
Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Κεφάλαιο 1 1. Εισαγωγή 1.1 Ανατομία και φυσιολογία της καρωτίδας Μηχανική συμπεριφορά του αρτηριακού τοιχώματος Η κοινή καρωτίδα, η οποία διχάζεται στην έσω και έξω καρωτίδα (Σχήμα 1.1), αποτελεί τη βασική αρτηρία που τροφοδοτεί με αίμα πλούσιο σε οξυγόνο την κεφαλή. Η έσω καρωτίδα τροφοδοτεί με αίμα τις περισσότερες δομές του εγκεφάλου καθώς και τα μάτια, τα αυτιά και το εξωτερικό τμήμα της μύτης. Η έξω καρωτίδα τροφοδοτεί με αίμα δομές που βρίσκονται εκτός κρανίου, όπως το πρόσωπο και το τριχωτό της κεφαλής. Η κοινή καρωτίδα ανήκει στην κατηγορία των ελαστικών αρτηριών. Οι ελαστικές αρτηρίες είναι αγγεία μεγάλης διαμέτρου που βρίσκονται κοντά στην καρδιά. Το τοίχωμα της κοινής καρωτίδας περιλαμβάνει τρία στρώματα: τον έσω χιτώνα (intima), τον μέσο χιτώνα (media) και τον έξω χιτώνα (adventitia) (Σχήμα 1.2). Ο έσω χιτώνας αποτελείται από μια στοιβάδα ενδοθηλίου και τη λεπτή βασική μεμβράνη. Τα κύτταρα του ενδοθηλίου είναι συνήθως επίπεδα και επιμηκυμένα στην κατεύθυνση της ροής του αίματος, με εξαίρεση τις περιοχές κοντά σε διακλαδώσεις, όπου η ροή του αίματος είναι σύνθετη και το σχήμα των κυττάρων είναι συχνά πολυγωνικό. Στα νεαρά άτομα με υγιές τοίχωμα καρωτίδας, ο έσω χιτώνας είναι πολύ λεπτός και η συνεισφορά του στις μηχανικές ιδιότητες του αρτηριακού τοιχώματος είναι ασήμαντη. Θα πρέπει να επισημανθεί όμως ότι με την πρόοδο της ηλικίας το πάχος του έσω χιτώνα αυξάνεται με αποτέλεσμα η συνεισφορά του στην μηχανική συμπεριφορά του τοιχώματος να είναι πιο σημαντική. 23
Στοΐτσης Γιάννης Σχήμα 1.1: Αθηρωμάτωση στην καρωτίδα Ο διαχωρισμός του έσω από το μέσο χιτώνα πραγματοποιείται μέσω ενός ελαστικού υμένα, ο οποίος θεωρείται συνήθως μέρος του δεύτερου. Ο μέσος χιτώνας περιέχει κύτταρα λείου μυός, τα οποία βρίσκονται σε ένα εξωκυτταρικό πλέγμα ελαστίνης και κολλαγόνου, καθώς και μια υδατώδη μήτρα βασικής ουσίας που περιέχει πρωτεογλυκάνες. Τα αγγειακά κύτταρα λείου μυός έχουν βελονοειδές σχήμα εκτός από την περιοχή του πυρήνα όπου είναι ελαφρώς παχύτερα. Σε ένα υγιές τοίχωμα καρωτίδας, ο μέσος χιτώνας είναι το σημαντικότερο στρώμα αναφορικά με την μηχανική συμπεριφορά του τοιχώματος. Τέλος, ο έξω χιτώνας αποτελείται κυρίως από ένα πυκνό δίκτυο ινών κολλαγόνου μαζί με ελαστίνη, νεύρα και ινοπλάστες. Οι ίνες κολλαγόνου του έξω χιτώνα έχουν συνήθως αξονικό προσανατολισμό και είναι ελαφρώς κυματοειδής στη βασική κατάσταση. Είναι λιγότερο δύσκαμπτες από το μέσο χιτώνα σε συνθήκες χαμηλής πίεσης. Ο έξω χιτώνας περιορίζει την οξεία υπερδιαστολή του αγγείου και κατά συνέπεια αποτελεί ένα προστατευτικό περίβλημα, παρόμοιο με το επικάρδιο της καρδιάς. Παθολογικές μεταβολές των συστατικών του έσω χιτώνα συνδέονται με την δημιουργία της αθηρωμάτωσης, η οποία αποτελεί τη συνηθέστερη πάθηση των αγγείων. Η αθηρωμάτωση αφορά στην εναπόθεση λιπωδών στοιχείων, ασβεστίου, ινών κολλαγόνου, βιολογικών παραπροϊόντων και θρόμβου αίματος. Η αλλοίωση που «χτίζεται» με τα συστατικά αυτά ονομάζεται αθηρωματική πλάκα και χαρακτηρίζεται από σύνθετη 24
Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή μορφολογία και βιοχημική σύνθεση. Σε προχωρημένα στάδια η αθηρωμάτωση μπορεί να επηρεάσει και το μέσο χιτώνα. Αυτές οι παθολογικές μεταβολές του τοιχώματος σχετίζονται με σημαντικές αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες του αρτηριακού τοιχώματος και συνεπώς με έντονη διαφοροποίηση της μηχανικής συμπεριφοράς σε σύγκριση με το υγιές τοίχωμα. Σχήμα 1.2: Τα τρία στρώματα του αρτηριακού τοιχώματος. Λόγω της εντοπισμένης φύσης της αθηρογένεσης, έχει διατυπωθεί η υπόθεση ότι μηχανικοί παράγοντες, όπως οι διατμητικές τάσεις και ο χρόνος παραμονής των σωματιδίων στο αγγειακό τοίχωμα, ευνοούν την εμφάνιση αθηρωμάτωσης σε συγκεκριμένες θέσεις του αρτηριακού συστήματος. Οι τάσεις που ασκούνται στο αρτηριακό τοίχωμα οφείλονται κυρίως στη ροή του αίματος (διατμητικές τάσεις) και στην πίεση του αίματος. Λόγω των τάσεων αυτών, το αρτηριακό τοίχωμα παραμορφώνεται σε τρεις κατευθύνσεις, την αξονική, την ακτινική και την περιφερική κατεύθυνση. Έχει δειχθεί ότι παραμορφώσεις κατά την περιφερική κατεύθυνση, σε συνδυασμό με τις διατμητικές τάσεις, προκαλούν μορφολογικές αλλοιώσεις των ενδοθηλιακών κυττάρων του τοιχώματος και, κατά συνέπεια, μπορεί να επηρεάσουν την ευαισθησία των κυττάρων αυτών στην επίδραση των διατμητικών τάσεων [1]. Επιπρόσθετα, η μεταβολή της γεωμετρίας της αρτηρίας, είτε λόγω της παρουσίας αθηρωματικής πλάκας είτε λόγω του διχασμού, δημιουργεί σημαντικές διατμητικές τάσεις και κατά συνέπεια διατμητικές παραμορφώσεις του τοιχώματος. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι η ανάπτυξη υψηλών τάσεων στην περιοχή του διχασμού συνδέεται με την αθηρογένεση στην καρωτίδα [2] [3]. Η ρήξη της αθηρωματικής πλάκας μπορεί να οδηγήσει στην απόφραξη αγγείων του εγκεφάλου και κατά συνέπεια στην πρόκληση ισχαιμικών επεισοδίων (προσωρινή 25
Στοΐτσης Γιάννης αμαύρωση, εγκεφαλικό επεισόδιο) (Σχήμα 1.1). Ο κίνδυνος εμφάνισης εγκεφαλικού επεισοδίου ελαττώνεται κατά περισσότερο από 50% με χειρουργική αφαίρεση των πλακών (ενδαρτηρεκτομή) που προκαλούν μείωση της εσωτερικής διαμέτρου του αγγείου μεγαλύτερη από 70%. Δεδομένου ότι δεν προκαλούν εγκεφαλικό επεισόδιο όλες οι αθηρωματικές πλάκες στην καρωτίδα, και επειδή η ενδαρτηρεκτομή ενέχει σημαντικό κίνδυνο (επιπλοκές, περιεγχειρητική θνησιμότητα), η προσεκτική επιλογή των ασθενών που θα υποβληθούν σε χειρουργική επέμβαση είναι πολύ σημαντική. Η αθηροσκλήρωση της καρωτίδας είναι υπεύθυνη για το 20-30% των ισχαιμικών εγκεφαλικών επεισοδίων. Σε πολλές μελέτες έχει αποδειχθεί η χρησιμότητα της ενδαρτηρεκτομής [4][5] και πρόσφατα της τοποθέτησης ενδαρτηριακού νάρθηκα (stent) στην καρωτίδα [6] [7]. Στις μελέτες αυτές το μοναδικό κριτήριο για την επιλογή των ασθενών με υψηλό δείκτη επικινδυνότητας ήταν ο βαθμός στένωσης. Ωστόσο, σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μελετών αυτών, αθηρωματικές πλάκες με υψηλό βαθμό στένωσης (>70%) μπορεί να μην παρουσιάσουν κλινικά συμπτώματα. Επομένως ο βαθμός στένωσης δεν αποτελεί επαρκές κριτήριο για την επιλογή των περιπτώσεων που πρέπει να υποβληθούν σε επέμβαση. Επιπρόσθετα με το βαθμό στένωσης, η σύσταση της αθηρωματικής πλάκας σχετίζεται με την πιθανότητα εκδήλωσης κλινικών συμπτωμάτων. Η σύσταση των συμπτωματικών αθηρωματικών πλακών είναι σημαντικά διαφορετική από αυτή των ασυμπτωματικών [8] [9]. Οι συμπτωματικές αθηρωματικές πλάκες περιέχουν μεγαλύτερο ποσοστό λίπους και χοληστερόλης και μικρότερη ποσότητα κολλαγόνου και ασβεστίου σε σύγκριση με τις ασυμπτωματικές. Πρόσφατα, ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί στη μελέτη της μηχανικής της ρήξης της αθηρωματικής πλάκας [10]. Η προσπάθεια αυτή βασίζεται στα αποτελέσματα μελετών για την μηχανική συμπεριφορά του τοιχώματος της καρωτίδας. Οι μηχανικές ιδιότητες του τοιχώματος είναι βασικές για τη μελέτη της ρήξης της πλάκας κυρίως για δυο λόγους: (α) ο καθορισμός της κατανομής έντασης των τάσεων για ένα τοίχωμα με αθηρωματική πλάκα ως συνάρτηση της πίεσης και ροής του αίματος θα επιτρέψει τον καθορισμό των πιθανών θέσεων ρήξης της πλάκας και (β) ο καθορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων του τοιχώματος θα επιτρέψει την εκτίμηση των τάσεων και των παραμορφώσεων των κυττάρων του αγγείου κατά τη διάρκεια του καρδιακού κύκλου, και κατά συνέπεια τον προσδιορισμό των βιοχημικών διαδικασιών που ελέγχονται από τις μηχανικές δυνάμεις που ασκούνται στα κύτταρα του ενδοθηλίου. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να επισημανθεί ότι ο όγκος των δεδομένων που υπάρχουν αυτή τη στιγμή για τις μηχανικές ιδιότητες του αρτηριακού τοιχώματος είναι 26