Predictive modeling of the atheromatic plaque growth

Abstract

This PhD thesis aims to develop models for the predictive modeling of atherosclerotic plaque progression, both in coronary and carotid arteries. In this thesis, active contour models and dynamic threshold segmentation techniques have been implemented for the segmentation of the inner wall, outer wall, CP and NCP in coronary and carotid arteries, using computed tomography angiography images. Additionally, through this thesis machine learning models that utilize both imaging and non-imaging data for the prediction of coronary artery disease were developed, whereas models using only non-imaging data were developed for the carotid artery disease prediction. The first chapter presents the physiology of the cardiovascular system. More specifically, the function of the circulatory system, the anatomy and function of the heart, the coronary and carotid arteries’ anatomy, are presented. Then, the pathophysiology of atherosclerosis and atherosclerosis risk factors are presented. Finally, this chapter reports the imaging modalities of atherosclerosis, both invasive and non-invasive, and the advantages and the disadvantages of each technique in clinical practice. In the second chapter of this thesis, an extensive presentation of the existing in the literature methods for the three-dimensional reconstruction of the coronary and carotid arteries and the localization of atherosclerotic plaques, both at an automated level and at a non-automated level, is performed. Then, existing studies for the prediction of coronary and carotid artery disease, utilizing either standard statistical analysis techniques or machine learning techniques, are presented. Finally, in this chapter, all the existing biomarkers for the diagnosis and prediction of carotid disease and the mechanism by which they participate in the pathogenesis of the disease, as well as the existing studies in the literature that demonstrate their importance, are presented. The third chapter describes the proposed methodology for the three-dimensional reconstruction of the inner and outer wall of the coronary and carotid arteries and for the identification and characterization of atherosclerotic plaques (calcified and non-calcified plaques). In addition to this, different processes for validating the proposed methodology are presented, as well as the innovative aspect of the present methodology compared to the existing literature. The fourth chapter of the thesis aims to present machine learning models for the prediction of coronary artery disease, predicting the obstructive coronary artery disease, the progression of the disease and the placement of an endovascular stent. The proposed models were trained with non-imaging and imaging data, geometry and blood flow based data. In the fifth chapter of this paper, machine learning models were proposed to diagnose and identify subjects with asymptomatic carotid disease and participants with the presence of high-risk atherosclerotic plaques, using typical medical records as input. Finally, in the sixth chapter, the association of carotid artery disease with the presence of clinically asymptomatic brain lesions, was presented. More specifically, the aim of this chapter is to correlate ultrasound markers of the carotid artery, as well as characteristics of each patient (demographic, clinical, hematological, biochemical data and risk factors) with the presence of clinically asymptomatic brain lesions in the ipsilateral hemisphere. The seventh and last chapter of this paper constitutes a discussion section, related to the contribution of the proposed PhD thesis, as well as to possible future research steps.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη μοντέλων για την προγνωστική μοντελοποίηση της αθηρωματικής πλάκας, τόσο σε στεφανιαία αγγεία όσο και στις καρωτίδες αρτηρίες. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκαν τεχνικές επεξεργασίας αξονικής αγγειογραφίας για την τριστάστατη επεικόνιση των στεφανιαίων αγγείων και καρωτίδων, καθώς επίσης και μοντέλα μηχανικής μάθησης που αξιοποιούν τόσο απεικονιστικά όσο και μη απεικονιστικά δεδομένα για την πρόβλεψη της στεφανιαίας και καρωτιδικής νόσου. Στόχος της διατριβής είναι η επικύρωση των προτεινόμενων μεθοδολογιών και η ανάπτυξη ολοκληρωμένων μοντέλων για την διαστρωμάτωση του κινδύνου στην στεφανιαία και καρωτιδική νόσο.Η έρευνα της διατριβής ξεκίνησε έπειτα από την έλλειψη αυτοματοποιημένων μεθοδολογιών για τον αυτόματο εντοπισμό του εσωτερικού και εξωτερικού τοιχώματος των στεφανιαίων και καρωτίδων αρτηριών και την τρισδιάστατη ανακατασκευή του πλήρους αρτηριακού δέντρου, καθώς και έπειτα από την μελέτη διαφόρων περιορισμών στον αυτόματο εντοπισμό και χαρακτηρισμό της αθηρωματικής πλάκας. Στη συνέχεια, η διατριβή βασίστηκε στην αξιοποίηση απεικονιστικών δεδομένων που προκύπτουν από μη επεμβατικές απεικονιστικές τεχνικές για την καλύτερη διαχείρηση της στεφανιαίας και καρωτιδικής νόσου.Στο πρώτο κεφάλαιο αρχικά παρουσιάζεται η φυσιολογία του καρδιαγγειακού συστήματος. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζεται η λειτουργία του κυκλοφορικόυ συστήματος, η ανατομία και η λειτουργία της καρδιάς, οι στεφανιαίες και καρωτίδες αρτηρίες και η ανατομία τους. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η παθοφυσιολογία της αθηροσκλήρωσης, καθώς και παράγοντες κινδύνου για εμφάνιση της αθηροσκλήρωσης και κάποια επιδημιολογικά στοιχεία για την στεφανιαία και καρωτιδική νόσο. Τέλος στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι τρόποι απεικόνισης της αθηροσκλήρωσης, τόσο οι επεμβατικοί, όσο και οι μη επεμβατικοί, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών στην κλινική πράξη. Στο δεύτερο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής γίνεται μια εκτενής παρουσίαση της υπάρχουσας βιβλιογραφίας σχετικά με τις μεθόδους τρισδιάστατης ανακατασκευής των στεφανιαίων και καρωτίδων αρτηριών και εντοπισμού των αθηρωματικών πλακών, τόσο σε αυτοματοποιημένο επίπεδο, όσο και σε μη αυτοματοποιημένο επίπεδο. Στη συνέχεια, γίνεται μία λεπτομερής αναφορά σε ήδη υπάρχουσες μελέτες για τη διαστρωμάτωση του κινδύνου για στεφανιαία και καρωτιδική νόσο, αξιοποιώντας είτε τεχνικές τυπικής στατιστικής ανάλυσης είτε τεχνικές μηχανικής μάθησης. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται συνολικά όλοι οι υπάρχοντες βιοδείκτες για τη διάγνωση και πρόβλεψη της καρωτιδικής νόσου και ο μηχανισμός με τον οποίο συμμετέχουν στη παθογένεση της νόσου, καθώς και οι υπάρχουσες στη βιβλιογραφία μελέτες που καταδεικνύουν τη σημαντικότητα τους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η προτεινόμενη μεθοδολογία για την τρισδιάστατη ανακατασκευή του εσωτερικού και του εξωτερικού τοιχώματος των στεφανιαίων και καρωτίδων αρτηριών και για τον εντοπισμό και χαρακτηρισμό των αθηρωματικών πλακών. Πιο συγκεκριμένα, οι αθηρωματικές πλάκες που εντοπίζονται διαχωρίζονται σε ασβεστοποιημένες και μη- ασβεστοποιημένες πλάκες, που αποτελούνται κυρίως από λιπίδια και ινώδη ιστό. Επιπλέον παρουσιάζονται διαφορετικοί τρόποι επικύρωσης της προτεινόμενης μεθοδολογίας, καθώς επίσης και η καινοτόμος πτυχή της παρούσας μεθοδολογίας συγκριτικά με την υπάρχουσα βιβλιογραφία. Το τέταρτο κεφάλαιο της διατριβής στοχεύει στην παρουσίαση μοντέλων μηχανικής μάθησης για τη διαστρωμάτωση του κινδύνου για στεφανιαία νόσο, προβέποντας την παρουσία στεφαναίας παθολογικής νόσου, είτε την εξέλιξη της νόσου, είτε την τοποθέτηση ενδαγγειακού στεντ. Τα προτεινόμενα μοντέλα εκπαιδεύτηκαν με μη απεικονιστικά και απεικονιστικά δεδομένα, που προκύπτουν από την γεωμετρία των αγγείων, καθώς και την μοντελοποίηση της αιματικής ροής των αγγείων. Στο πέμπτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας, προτάθηκαν μοντέλα μηχανικής μάθησης για τη διάγνωση και την αναγνώριση ατόμων με ασυμπτωματική καρωτιδική νόσο και για την ανίχνευση ατόμων με παρουσία αθηρωματικών ασταθών πλακών υψηλού κινδύνου, χρησιμοποιώντας ως είσοδο τυπικά ιατρικά δεδομένα. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάστηκε η συσχέτιση της καρωτιδικής νόσου με την παρουσία κλινικά ασυμπτωματικών εγκεφαλικών βλαβών. Πιο συγκεκριμένα, στόχος του κεφάλαιου αυτού ήταν η συσχέτιση υπερηχογραφικών δεικτών της καρωτιδικής αρτηρίας, καθώς και χαρακτηριστικά του κάθε ασθενούς (δημογραφικά, κλινικά, αιματολογικά, βιοχημικά δεδομένα και παράγοντες κινδύνου) με την παρουσία κλινικά ασυμπτωματικών εγκεφαλικών βλαβών στο ομόπλευρο ημισφαίριο. Το έβδομο και τελευταίο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας αποτελεί μια ενότητα συζήτησης, που σχετίζεται με τη συνεισφορά της προτεινόμενης διδακτορικής διατριβής, καθώς και με τα πιθανά μελλοντικά ερευνητικά βήματα.