Συλλογή και επεξεργασία πολυκαναλικών ιατρικών δεδομένων

Abstract

Με τη συνεισφορά της παρούσας διατριβής, στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος MEDEA (Micro-scanning Endoscope with Diagnostic and Enhanced resolution Attributes), σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένα πρωτότυπο λογισμικό σύστημα συλλογής κι επεξεργασίας δεδομένων για ένα επίσης πρωτότυπο ενδοσκοπικό σύστημα. Η λειτουργία του ενδοσκοπικού συστήματος βασίζεται στη χρήση μικροκατόπτρων για τη σάρωση του εξεταζομένου ιστού με δέσμη ακτινοβολίας λέιζερ τριών μηκών κύματος. Η συλλογή και ψηφιοποίηση του πολυκαναλικού σήματος που αντιστοιχεί στην οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία της δέσμης λέιζερ, υλοποιείται μέσω μιας κάρτας συλλογής δεδομένων υψήσυχνης δειγματοληψίας συνδεδεμένης σε πολυεπεξεργαστικό υπολογιστικό σύστημα. Μελετήθηκαν οι τεχνικές συλλογής δεδομένων που υποστηρίζονται από τη διαθέσιμη κάρτα, με στόχο τη χρήση του μέγιστου ρυθμού δειγματοληψίας. Σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε λογισμικό σύστημα συλλογής δεδομένων βασιζόμενο σε ασύγχρονη καθοδηγούμενη-από-συμβάντα (event-driven) DMA επικοινωνία με το πολυεπεξεργαστικό σύστημα, το οποίο υποστηρίχθηκε από τεχνικές πολυνηματισμού (multithreading). Το λογισμικό που αναπτύχθηκε προσφέρει τη δυνατότητα της προβολής, της επεξεργασίας και της αποθήκευσης των συλλεγόμενων έγχρωμων ενδοσκοπικών εικόνων υψηλής ευκρίνειας σε πραγματικό χρόνο μέσω ενός γραφικού περιβάλλοντος διεπαφής χρήστη. Με στόχο την ενίσχυση των δυνατοτήτων του ενδοσκοπικού συστήματος προς τον αυτόματο εντοπισμό μη φυσιολογικών περιοχών επί του εξεταζόμενου ιστού, μελετήθηκαν μέθοδοι επεξεργασίας και ανάλυσης των ενδοσκοπικών δεδομένων, σε συνδυασμό με ιατρικές παραμέτρους που σχετίζονται με την κλινική εντόπιση και αξιολόγηση αλλοιώσεων του παχέως εντέρου κατά την ενδοσκοπική εξέταση. Προκειμένου να διερευνηθεί πειραματικά το πρόβλημα, αναπτύχθηκαν συνεργασίες x με ιατρικά ερευνητικά και νοσηλευτικά ιδρύματα του εσωτερικού αλλά και του εξωτερικού, από τις οποίες αποκομίσθηκαν σημαντικές πληροφορίες που αφορούν τα κριτήρια βάσει των οποίων πραγματοποιείται η ιατρική αξιολόγηση των ενδοσκοπικών ευρημάτων. Επίσης, παρασχέθηκε πλήθος ενδοσκοπικών δεδομένων, εικόνων και βίντεο τα οποία συνοδεύονταν από αντίστοιχα ιστοπαθολογικά τεκμήρια. Διερευνήθηκε πειραματικά η απόδοση διαφορετικών μεθόδων χαρακτηρισμού της υφής χρησιμοποιώντας μονόχρωμες (grayscale) τυπικές εικόνες υφής καθιερωμένες στη διεθνή βιβλιογραφία καθώς και κολονοσκοπικές εικόνες. Προτάθηκε μια πρωτότυπη μέθοδος υπολογισμού χαρακτηριστικών υφής, η οποία βασίζεται στον υπολογισμό στατιστικών μέτρων δεύτερης τάξης στο πεδίο του κυματιδίου, με τη χρήση των πινάκων συνεμφάνισης (Discrete Wavelet Transform Cooccurrence Matrices, DWTCM). Διερευνήθηκε η γενικευτική ικανότητα τεχνητών νευρωνικών δικτύων πολλαπλών στρωμάτων πρόσθιας διάδοσης, χρησιμοποιώντας διαφορετικά χαρακτηριστικά υφής. Η καλύτερη γενικευτική ικανότητα επιτεύχθηκε με την εφαρμογή των χαρακτηριστικών DWTCM. Τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα της μελέτης αυτής επιβεβαιώθηκαν με τη διεξαγωγή περισσότερων πειραμάτων σε ακολουθίες ενδοσκοπικών εικόνων βίντεο, τα οποία επίσης απέδωσαν υψηλά ποσοστά επιτυχίας.