عنوان :

مقاله تقسیم بندی و آشکارسازی در تصاویر CT ریه به منظور تشخیص توده های ریوی

تعداد صفحات :۵۰

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

مقاله حاضربه بررسی تقسیم بندی وآشکارسازی در تصاویر CT ریه به منظور تشخیص توده های ریوی می پردازد.

ابتدا توضیحی در مورد نحوه‌ی آشکارسازی توده‌های ریوی داده شد و مقدماتی که برای آشنایی با تصاویر ریه لازم بود بیان شد. سپس روش‌های پیشین جداسازی ریه، آشکارسازی توده‌های ریوی و جداسازی آن‌ها مرور شد. در جداسازی ریه عیب روش‌های پیشین عمدتاً توده‌های بزرگ متصل به دیواره بود. روش‌های پیشین در آشکارسازی توده‌ها غالباً از ویژگی شکل استفاده کرده که باعث آشکار نشدن توده‌های غیر کروی می‌شد و در نتیجه مرز دقیق توده‌های با شکل نامنظم نیز استخراج نمی‌شد.

باکارهای انجام شده می‌توان در آینده برای بازسازی توده‌ها بسیار مؤثر باشد. برای بازسازی توده‌ها، باید توده در تمامی اسلایس‌های تصاویر یک بیمار با دقت بالایی جداسازی شده باشد. یعنی تک‌تک پیکسل‌های توده برچسب توده گرفته باشند و تک‌تک پیکسل‌های غیرتوده برچسب مربوطه را به خود اختصاص داده باشند. پس از بازسازی توده محاسبه‌ی حجم آن نیز به سادگی قابل محاسبه خواهد بود (همان‌طور که قبلاً توضیح داده شده رشد حجمی توده‌ها معیار مناسبی برای میزان بدخیمی توده می‌باشد).

کار دیگری که می‌توان انجام داد، جداسازی و محاسبه‌ی حجم کیسه‌ی صفرا در تصاویر CT می‌باشد. روشنایی کیسه‌ی صفرا و تشابه آن با بافت‌های کناری مسئله‌ای را بوجود می‌آورد که آن را مشابه کار بر روی جداسازی توده‌ها می‌کند.

سرطان ریه کشنده‌ترین سرطان در مردان و دومین سرطان کشنده در زنان است. وجود توده‌های ریوی در تصاویر CT ریه می‌تواند بیانگر این نوع سرطان باشد. به همین دلیل، آشکارسازی و تشخیص به موقع این توده‌ها از نظر پزشکان بسیار حائز اهمیت است. با توجه به بافت پیچیده آناتومیک این توده‌ها و شباهت آن با بافت‌های مجاور، آشکارسازی آن‌ها بصورت دستی دشوار و وقت‌گیر است.

در سال‌های اخیر روش‌های متعددی برای جداسازی ریه ارائه شده است. در برخی از روش‌ها برای جداسازی ریه از الگوریتم‌های باینری کردن تصاویر، و در برخی دیگر، از مدل‌های کانتور فعال (ACM) استفاده شده است. با توجه به شباهت روشنایی توده‌ها با دیواره‌ی ریه، این دو دسته روش برای مواردی که توده به دیواره‌ی ریه متصل باشد، دچار مشکل می‌شوند. به طوری که توده‌ها را به عنوان دیواره‌ی ریه از خود ریه جدا می‌کنند. در این گزارش ما سعی داریم یکی از روش‌های تقسیم بندی ریه را در تصاویر CT نشان دهیم. تبدیل اصلی که در این تکنیک استفاده می‌شود تبدیل Watershed بر اساس Marker دو تایی ‌میباشد . از آن جایی که جداکردن ریه های راست و چپ و تعیین مرزها در طول تبدیل Watershed به صورت اتوماتیک انجام میپذیرد و آستانه بهینه حذف میشود (در اکثر الگوریتم‌های دیگر از آستانه بهینه برای تشخیص مرز ریه استفاده می‌شود )، زمان محاسبه به شدت کاهش مییابد . این تکنیک چند مرحله اصلی دارد ، در ابتدا از تصویر CT مورد‌نظر گرادیان می‌گیریم . در مرحله بعدی که بسیار مهم است Marker  داخلی تعیین و مشخص می‌شود. با اجرای عملیات مورفولوژیکی در Marker داخلی ، Marker خارجی استخراج می‏شود.  مرحله بعدی مشخص‌کردن خطوط Watershed با بکارگیری تبدیل Watershed است. قدم نهایی ، هموار‌کردن مرزهای ریه تقسیم‏بندی شده با استفاده از تکنیکی ساده و دقیق است.

  بدین ترتیب مرز ریه در تصویر CT مشخص شده و می‏توان از آن برای پردازش‏های بعدی روی تصویر به منظور یافتن ناژول‏ها استفاده کرد.

جهت آشکارسازی توده‌ها نیز روش‌های متعددی ارائه شده است. در برخی از این روش‌ها ویژگی‌های تصویر استخراج شده، و با استفاده از دسته‌بندی آن‌ها توسط روش‌هایی مانند SVM توده‌ها آشکار شده‌اند. در برخی از این روش‌ها برونش‌های ریوی به جای توده آشکار می‌شوند. مرزهای دقیق توده‌های آشکار شده را برای اولین بار توسط ACM استخراج کرده‌ایم و همچنین با برچسب‌گذاری بافت‌های مختلف ریه، مکان آناتومیک توده‌ها را تشخیص داده‌ایم.

واژه های کلیدی: آشکارسازی، تصاویر CT،  توده های ریوی، توابع مورفولوژیکال

 فهرست مطالب

فصل اول مقدمه
۱-۱ مقدمه   ۱
۱-۱-۲ ریه   ۱
۱-۱-۳  ناژول‌ها یا توده های ریوی   ۲
۱-۲ تاریخچه   ۳
۱-۳ کاربرد   ۸
۱-۴ مجموعه داده   ۸
۱-۵ ساختار سمینار   ۹
۱-۵-۱ جداسازی ریه   ۹
۱-۵-۲ آشکارسازی تودهها   ۹
۱-۵-۳  استخراج مرز توده‌ها   ۱۰
۱-۵-۴ تشخیص مکان توده‌ها   ۱۰
۱-۶ جمع بندی   ۱۰
فصل دوم توابع مورفولوژیکال
۲-۱ مقدمه   ۱۱
۲-۲  چند مفهوم از تئوری مجموعه   ۱۲
۲-۳  پردازش مورفولوژیکال  روی تصاویر باینری   ۱۲
۲-۴   فرسایشو بسط   ۱۲
۲-۴-۱  بسط   ۱۲
۲-۴-۲ فرسایش   ۱۳
۲-۵  بازکننده و نزدیک کننده   ۱۵
۲-۵-۱ بازکننده   ۱۵
۲-۵-۲ نزدیک کننده   ۱۶
۲-۶  پردازش مورفولوژیکال  روی تصاویر GRAY SCALE   ۱۶
۲-۶-۱  بسط   ۱۶
۲-۶-۲ فرسایش   ۱۸
۲-۶-۳-بازکننده   ۱۸
۲-۶-۴ نزدیک کننده   ۱۹
۲-۷ بازسازی   ۲۰
۲-۷-۱ چند تعریف   ۲۰
۲-۷-۲  بازسازی برای تصاویر باینری   ۲۱
۲-۷-۳ بازسازی برای تصویر سطح خاکستری   ۲۳
۲-۸ نتیجه شبیه سازی با استفاده از مورفولوژی   ۲۵
۲-۸-۱ تصاویر CT از ریه‌های مختلف با بیماری‌های مختلف   ۲۶
فصل سوم مروری بر روش‌های پیشین آشکارسازی و تشخیص توده‌های ریوی
۳-۱ مقدمه   ۲۸
۳-۲ روش‌های جداسازی ریه   ۲۹
۳-۲-۱ جداسازی ریه توسط آستانهگذاری و اپراتورهای مورفولوژی   ۲۹
۳-۲-۲ جداسازی ریه توسط کانتور فعال   ۳۰
۳-۳ روشهای آشکارسازی و جداسازی تودههای ریوی   ۳۳
۳-۴ روشهای تشخیص توده های ریوی   ۳۸
۳-۵ جمعبندی   ۴۰
فصل چهارم جمع‌بندی و کار آینده
فهرست منابع   ۴۲

فهرست منابع

[۱]   Y. Zheng, K. Steiner, T. Bauer, J. Yu, D. Shen, and C. Kambhamettu, Lung nodule growth analysis from 3D CT data with a coupled segmentation and registration framework, in Conf. 2007 IEEE Computer Vision, pp. 1-8.

[۲]   American Cancer Society. (2009). Cancer fact and figures [Online]. Available: 

[۳]   D. Wu, L. Lu, J. Bi, Y. Shinagawa, K. Boyer, A. Krishnan, and M. Salganicoff, Stratified learning of local anatomical context for lung nodules in CT images, in Conf. 2010 IEEE CVPR, pp. 2791-2798.

[۴]   X. Ye, X. Lin, J. Dehmeshki, G. Slabaugh, and G. Beddoe, Shape-based computer-aided detection of lung nodules in thoracic CT images, IEEE Trans. Biomedical Engineering, vol. 56, pp. 1810-1820, Jul. 2009.

[۵]   S. Shimoyama, N. Homma, M. Sakai, T. Ishibashi, and M. Yoshizawa, Auto-detection of non-isolated pulmonary nodules connected to the chest walls in X-ray CT images, in Conf. 2009 IEEE ICCAS-SICE, pp. 3672-3675.

[۶]   J. M. Kuhnigh, V. Dicken, L. Bornemann, A. Bakai, D. Wormanns, S. Krass, and H. O. Peitgen, Morphological segmentation and partial volume analysis for volumetry of solid pulmonary lesions in thoracic CT scans, IEEE Trans. Medical Imaging, vol. 25, pp. 417-434, 2006.

[۷]   C. Lei, L. Xiaojian, Z. Jie, and C. Wufan, Automated lung segmentation algorithm for CAD system of thoracic CT, J. Elsevier of Medical Colleges of PLA, vol. 23, pp. 215-222, Jun. 2008.

[۸]   G. Yuodong, W. Yong, Z. Yang, L. Yanfen, and L. Mingxin, Computer-Aided detection for pulmonary nodules based on the morphological and spatial features, in Conf. 2010 IEEE ICBECS, pp. 1-4.

[۹]   G. RGranavi, A. Baraani-Dastjerdi, H. Abrishami Moghaddarn, M. Giti, and A. Adjdari Rad, A new segmentation method for lung HRCT images, IEEE Proc. 2005 8^th DICTA, Cairns, Australia.

[۱۰] S. Taghavi Namin, H. Abrishami Moghadam, R. Jafari, M. Esmaeil-Zadeh, and M. Gity, Automated detection and classification of pulmonary nodules in 3D thoracic CT images, in Conf. 2010 IEEE SMC, pp. 3774-3779.

۱-۱ مقدمه

سرطان ریه ، نوعی بیماری است که در آن بافت ریه رشد بیش از حدی دارد . امروزه سرطان ریه در بین انواع دیگر سرطان ، اصلی‏ترین عامل مرگ‏و‏میر مردان و دومین عامل مرگ‏و‏میر زنان در دنیا می‏باشد [[۱٫ به طور مثال، در سال ۲۰۰۳ در کشور ایالات متحده امریکا حدود ۰۰۰,۱۷۲ مورد و در انگلستان حدود ۰۰۰,۴۰ مورد سرطان ریه گزارش شده‌است [[۲٫ عمل جراحی ، درمان با اشعه و شیمی‏درمانی برای درمان سرطان ریه بکار گرفته می‏شود که البته هیچ کدام نتایج مطلوبی نداشته است[[۳٫

متاسفانه به دلیل نبود علائم خاصی برای سرطان ریه در مراحل اولیه ، سرطان ریه دیر تشخیص داده می‏شود . دانشمندان نشان داده‏اند که اگر بیماری در مراحل اولیه تشخیص داده شود ، شانس زنده ماندن پنج ساله برای بیماران می‏تواند  از ۱۴% تا ۴۹%  افزایش یابد.

بنابراین دانشمندان در صدد بر آمدند که ناژول‏های ریوی را در همان  مراحل اولیه شناسایی کنند.

۱-۱-۲ ریه

ریه‌ها دو کیسه یا توده اسفنجی قابل ارتجاع می‏باشند که در قفسه سینه جای دارند . رنگ آن خاکستری یا قرمز است. روی آن را پرده‏ای بنام جنب می‏پوشاند. شکل این عضو هرمی است که قاعده آن پائین و راس آن بالاست . دیافراگم قفسه سینه را از شکم جدا می‌سازد . وزن شش‌ها در حدود ۹۰۰ تا ۱۲۰۰ گرم است . ریه راست از ریه چپ بزرگتر است . ریه راست دارای ۳ لب و ریه چپ ۲ لب دارد.

کوچک بودن ریه چپ بعلت جایگزینی قلب در سمت چپ سینه است . کیسه هوایی کوچکترین واحد ساختمانی ریه است و تبادل گازی در این محل انجام می‏شود . کیسه هوایی را عروق زیادی احاطه کرده است و کیسه از یک ردیف بافت پوش سنگفرشی ساخته ‏شده‏است . حدود ۲ میلیون کیسه هوایی داریم . همچنین ریه تقریبا شامل ۱۵۰۰ مایل( ۲۴۰۰ کیلومتر ) مجرای تنفسی می‏باشد . دو شبکه خونی ریه را خونرسانی می‌کنند . شبکه تنفسی – شبکه تغذیه ای

۱-۱-۳  ناژول‌ها یا توده های ریوی

ناژول‏های ریوی می‏توانند به دو شکل ظاهر شوند. یک نوع به صورت جراحات کوچک کروی یا تخم مرغی شکل و نوع دیگر به صورت جراحات کوچک کرمی شکل که به پرده جنب غشاء مایی ریوی چسبیده‏اند که البته چون هر دو نوع ، چگالی بیشتری نسبت به بافت اصلی ریه دارند ، در تصاویر به رنگ سفید ظاهر می‏شوند (شکل ۱-۳) .

 ناژول‏های ریوی معمولا علائم خاصی ندارند و به طور اتفاقی در عکس‏های اشعه x قفسه سینه که به منظور دیگری گرفته می‏شود تشخیص داده‏ می‏شوند . قطر این ناژول‏ها معمولا در حدود ۳ یا ۴ سانتی‏متر ( کوچکتر از ۶ سانتی‏متر) می‏باشد و به یک بافت سالم و زنده ریه محدود می‏شود .

وجود توده‌های بدخیم در فضای ریه در تصاویر CT [1] نشان دهنده‌ی سرطان ریه می‌باشد. پارامترهایی که بیانگر بدخیم یا خوش‌خیم بودن یک توده می‌باشند عبارتند از شکل، بافت، مکان و نرخ رشد حجم توده. به عنوان مثال، توده‌هایی که شکل نا‌منظم دارند بیشتر از توده هایی با لبه‌های صاف امکان بروز سرطان دارند. همچنین توده‌هایی که به دیواره‌ی ریه چسبیده‌اند، در صورت دو برابر شدن حجم آن‌ها در دوره‌ای بیش از ۴۰۰ روز، خوش‌خیم محسوب می‌شوند [۳].تقریبا ۶۰% از ناژول‏های ریوی خوش‏خیم هستند.

۱-۲ تاریخچه

 کشف اشعه x در سال ۱۸۹۵ توسط ویلهلم کنراد رنگتن[۲] انقلابی در زمینه پزشکی بود . امروزه انواع مختلفی از تکنیک‏های عکس برداری (سه بعدی ) از قبیل عکس‏های رادیوگرافی ، CT و MRI[3]  قابل دسترس‏اند . دو نمونه از عکس‏های رادیوگرافی و CT در شکلهای ۱-۴ و ۱-۵ نشان داده شده‏است .

 تکنیک‌هایی که برای آشکار‌سازی تومارهای ریوی بکار می‏روند شامل رادیوگرافی سینه، آنالیز سلول شناسی خلط سینه ، تست fiber _ optic از مجاری تنفسی و نهایتا CTاسکن و تصاویر MRI می‏باشد .

در CTاسکن از اشعه X برای عکس برداری استفاده می‏شود ومانند X-ray هیچ دردی ندارد . در این اسکن از زوایای مختلف از بدن عکس‌هایی گرفته شده و این عکس‏ها شامل برش‏هایی از بخشی از بدن می‏باشد که از آن عکس‏برداری شده‏است . این عکس‌ها به کامپیوتر منتقل می‏شود و کامپیوتر آنها را کنار یکدیگر قرار داده و از این طریق تصاویری دقیق از بخش‏های داخلی بدن بدست می‏آید . با استفاده از آن می‏توان اطلاعات دقیقی از مکان تومار و بزرگی آن بدست آورد . ‏‏‏‏‏یک نوع جدیدتر CT اسکن ، CT اسکن مارپیچی[۴] است . این نوع اسکن سریع‏تر از اسکن استاندارد است و حتی تصاویر دقیق‏تری از ارگان‏ها و بافت‏های بدن می‏دهد که شامل رگ‏های خونی هم هستند و می‏تواند برای برداشتن تومارهای خیلی کوچک بسیار مفید باشد . نام این اسکن ، مارپیچی است زیرا در هنگام اسکن ، اشعه به صورت مارپیچی در اطراف بدن شخص می‏چرخد . در نتیجه تصویری پیوسته بدون هیچ شکافی بین برش‏های اسکن ، ایجاد می‏شود . با استفاده از این اسکن ، تصاویر با ضخامت لایه‏ای با کمتر از ۱ میلی‏متر تهیه می‏شوند و بنابراین قادر هستند اشیائی که سایز آن‏ها ۱میلی‏متر باشد را هم آشکار کنند . البته اسکن معمولی هم می‏تواند اشیائی با سایز ۲ یا ۳ میلی‏متر را آشکار کند .

امروزه برای تشخیص ناژول‏های ریوی تصاویر CT جایگزین تصاویر رادیوگرافی شده‏اند زیرا تصاویر رادیوگرافی قادر به تشخیص سرطان ریه در مراحل ابتدایی نبودند اما تصاویر CT به دلیل دقت و کیفیت بالای تصاویر در آشکار‌سازی ناژول‏های ریوی بسیار کارآمد هستند به طوریکه همان‏طور که در بالا گفته شد می‌تواند توده‏هایی با قطر کوچکتر از ۱mm را آشکار کند ، خیلی کوچکتر از آنچه در تصاویر X-ray قفسه سینه قابل مشاهده است  . چند نمونه از تصاویر CT که در آنها ناژول‏ها مشخص شده‏اند درشکل‏های زیر نشان داده شده است . در این تصاویر محل ناژول‏ها توسط رادیولوژیست با دایره‏ای نشان داده شده‏است .

 البته اسکن CT حجم زیادی از دیتا را در اختیار پزشکان قرار می‌دهد . آنالیز با عکس‏های رادیوگرافی یک جفت تصویر را شامل می‏شود در حالیکه CTاسکن بالغ بر ۱۰۰ تصویر را برای معاینه فراهم می‏کند . در ضمن تفسیر یک عکس رادیوگرافی سینه و یا عکس CT کمی مشکل است . وجود ساختارهای اضافی و روی هم قرار‏گرفتن برخی ساختارها در تصویر باعث پیچیده شدن تصویر می‏شوند . حتی رادیولوژیست با تجربه هم در تشخیص بعضی موارد از جمله تشخیص ناژول‏های کوچک دچار مشکل می‏شود. شکل نامنظم، مکان پیچیده از لحاظ آناتومیک و گاهی اوقات روشنایی کم توده‌های ریوی باعث بروز مشکلاتی در آشکارسازی، جداسازی، تشخیص و محاسبه‌ی حجم توده‌ها بصورت دستی می‌شود. انجام دادن دستی این عملیات بسیار مشکل و وقت‌گیر بوده و با عدم دقت کافی همراه است.

اهمیت کلینیکی رادیوگرافی‏های قفسه سینه با وجود مشکلاتی که وجود دارد ، نیاز به توسعه الگوریتم‌های کامپیوتری برای کمک به رادیولوژیست در مطالعه تصاویر قفسه سینه را توضیح می‌دهد .

بعد از اختراع کامپیوتر دیجیتال مدرن در پایان دهه ۱۹۴۰ تحقیقات برای رسیدن به کامپیوتری که قادر به انجام کارهایی باشد که سابقا فقط توسط انسان انجام می‌شد آغاز شد .اولین نوشته‌ها درباره آنالیز کامپیوتری تصاویر رادیوگرافی در ۱۹۶۰ ظاهر شد . مقاله‌هایی که مخصوصا در مورد کامپیوتری شدن آشکارسازی اشیاء غیر عادی در رادیوگرافی‏های ریه بود در دهه ۱۹۷۰ ظهور پیدا کردند و از آن پس رو به پیشرفت گذاشت .

با توجه به مسائل و مشکلات توضیح داده شده و گسترش حجم مطالعات CT همراه با افزایش حجم دیتا نیاز به طرح‌های CAD[5] احساس شد و برای پردازش تصاویر پزشکی مورد نیاز بود . طرح‏های CAD برای کمک به رادیولوژیست در تشخیص انواع آسیب‏ها در تصاویر پزشکی شامل تصاویر رادیو‏گرافی ، CT ،  MRI و تصاویر فراصوت[۶] گسترش یافت . سیستم‌های CAD تصاویر پزشکی را با استفاده از کامپیوتر پردازش می‌کنند تا میزان عدم تشخیص بیماری ، که به دلیل تشخیص نادرست و یا از نظر افتادن بیماری در تصاویر رخ می‌دهد را کاهش دهد . در ادامه مراحل کار یک سیستم آشکارسازی و تشخیص توده در تصاویر CT ریه، در قالب برخی روش‌های گذشته  بیان می‌شود.

۱-۳ کاربرد

کارآیی الگوریتم‌های ارائه شده را می توان در تصاویری غیر از ریه نیزنام برد. به طور مثال روش ارائه شده جهت جدا کردن توده‌های متصل به دیواره‌ی ریه برای جداسازی زمین‌های مختلف کشاورزی در تصاویر ماهواره‌ای همچنین روش ارائه شده برای آشکارسازی و استخراج مرز توده‌ها در جداسازی کیسه‌ی صفرا در تصاویر CT کارآیی دارد. محاسبه‌ی حجم کیسه‌ی صفرا در راستای تشخیص بیماری‌های مربوط به آن بسیار حائز اهمیت است.

۱-۴ مجموعه داده