Березюк Светлана Анатольевна

Факультет: Компьютерные информационные технологии и автоматика

Специальность: Компьютерная инженерия

Тема выпускной работы: «Специализированная компьютерная система исследования стабильности атеросклеротических бляшек на основе ультразвуковых изображений»

Руководитель: д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «АСУ» Скобцов Юрий Александрович

  АВТОРЕФЕРАТ

квалификационной работы магистра

«Специализированная компьютерная система исследования стабильности атеросклеротических бляшек на основе УЗ-изображений»

Введение. Обоснование актуальности темы
Цели и задачи работы
Научная новизна
Практическая ценность результатов работы
Обзор исследований и разработок по теме
    На локальном уровне
    На национальном уровне
    На мировом уровне
Основные результаты
    Выбор текстурных признаков
    Выбор классификатора
Выводы
Список ссылок

В настоящее время одним из направлений информатизации медицины является компьютеризация медицинской аппаратуры. Использование компьютера в сочетании с измерительной и управляющей техникой в медицинской практике позволило создать новые эффективные средства для обеспечения автоматизированного сбора информации о состоянии больного, ее обработки в реальном масштабе времени и управления ее состоянием. Этот процесс привел к созданию компьютерных систем диагностики (КСД) в медицине, которые подняли на новый качественный уровень инструментальные методы исследования и интенсивную терапию.

Диагностика, лечение и профилактика атеросклероза являются важнейшей задачей современной медицины, от решения которой во многом зависит успех борьбы с такими часто смертельными заболеваниями, как инфаркт, инсульт и другие сердечно-сосудистые осложнения. Если стеноз артерии менее 70%, то риск эмболии значительно уменьшается Соответственно актуальным вопросом является точная и своевременная диагностика источника таких эмболий - оценка состояния атеросклеротической бляшки.

Обычно исследование проводится ультразвуком с использованием неинвазивной визуализации сосуда ультразвуковым сканером в В-режиме. Однако желательно больным с ишемическим поражением головного мозга уточнять показания к оперативному лечению.

Поэтому разработка такой СКС, которая сможет помогать врачам в быстрой постановке максимально точного диагноза, сокращая при этом время, является важной и актуальной задачей.

Целью магистерской работы является построение специализированной компьютерной системы для исследования стабильности атеросклеротической бляшки на основании ультразвукового изображения, полученного с УЗ сканера в В-режиме обследования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-получение полутонового изображения;
-предварительная обработка полученных изображений;
-разбиение оконтуренного врачом участка на области;
-расчет статистических и текстурных признаков для отдельных областей изображения;
-классификация атеросклеротической бляшки при помощи обученной нейронной сети.

В данной СКС будет проводиться интегральный анализ целого комплекса критериев, рассчитываемых в ходе ультразвукового обследования, для постановки конечного диагноза о риске развития эмболии. Каждый из этих критериев в отдельности является в некоторой степени информативным для постановки диагноза. Логично предположить, что анализ совокупности этих критериев только увеличит их информативность. Для анализа набора критериев предложена вероятностная нейронная сеть.

Разработанное ПО предполагается использовать в Институте неотложной и восстановительной хирургии им. В.К.Гусака в кабинете УЗИ для исследования стабильности атеросклеротических бляшек и постановки диагноза.

На настоящее время проведено огромное количество исследований в области идентификации симптоматических и асимптоматических АБ, результаты которых могут иметь большое значение для принятия решений об операции с целью удаления «опасной», неустойчивой АБ.

-магистерская работа «Специализированная компьютерная система определения эмбологической опасности атеросклеротического поражения на основе ультразвукового исследования» магистр ДонНТУ Михалец Владислав Владимирович
-магистерская работа «Проектирование специализированной компьютерной системы диагностики жировой эмболии» магистр ДонНТУ Гарипов Ильдар Ильдарович ;
-магистерская работа «Разработка специализированной компьютерной системы моделирования гемодинамической структуры артериального русла человека» магистр ДонНТУ Чвала Алексей Алексеевич ;
-магистерская работа «Разработка автоматизированной системы распознавания текстур изображений с помощью методов, инвариантных к изменению угла поворота и масштаба» магистр ДонНТУ Варшавская Мария Семеновна.

-«Атеросклероз и атеротромбоз: патогенез, клинические проявления, лечение», Волков Владимир Иванович, профессор, Заведующий отделом атеросклероза и его осложнений Института терапии АМН Украины ;
-М.И. Лутай, А.Н. Ломаковский, Р.Ф. Абуталипов, И.П. Голикова (Институт кардиологии им. Н.Д. Стражеско АМН Украины, г. Киев) «Морфологическая характеристика нестабильных атеросклеротических поражений венечных артерий сердца»;
-А.В. Гудзикевич (Медицинский реабилитационный центр «Жемчужина» ГТС Украины, г.Ялта), В.А.Ежов (Лечебно-диагностический центр ОАО «Эксимнефтепродукт», г. Одесса) «Ультразвуковая диагностика микроэмболов в сосудистой патологии головного мозга»;
-Лущик Ульяна Богдановна, доктор медицинских наук, научный руководитель и генеральный директор научно-методического центра ультразвуковой диагностики «Истина». «Способ ультразвуковой диагностики состояния сосудов головного мозга».

На мировом уровне в области исследуемого вопроса на данный момент существуют работы по классификации атеросклеротических бляшек по данным ультразвукового исследования в В-режиме, выполненные Reilly L.M. et al. (1983) и Gray-Weale A.C. et al. (1988).

В работе Marie-Louise M. Gronholdt приведено сопоставление результатов ислледований разных авторов, изучавших связи между значениями ультразвуковых критериев, таких как низкая или высокая эхогеннсть, гомогенность или гетерогенность атеросклеротической бляшки, среднее значение яркости ультразвукового изображения, и риском возникновения симптоматических признаков у больных (транзиторных ишемических атак – ТИА, остаточных явлений завершенного инсульта – ЗИ), связанного с риском развития эмболии.

В исследовании, проводившемся в Кемеровском кардиологическом центре с 1995 по 1999 г. было показано, что клинические проявления ишемии мозга при атеросклеротическом стенозе внутренней сонной артерии имеют четкую корреляцию с эхоморфологией атеросклеротической бляшки, что указывает на ведущую роль механизма артериальной эмболии в патогенезе развития церебральной ишемии.

Для объективной классификации АБ как склонной к разрыву, необходимо использовать критерии, учитывающие все возможные комбинации гистологической структуры бляшки, т.е. в рассмотрение следует включить следующие признаки.
Среднее значение яркости вычисляется следующим образом:

Среднеквадратическое отклонение СКО равно корню квадратному из второго момента. Эта характеристика широко применяется для описания структуры изображения, так как является более интуитивно понятной для большинства людей по сравнению с дисперсией, см.:

Второй статистический момент или иначе дисперсия является очень важным текстурным описателем. Она является мерой контрастности яркости и используется для вычисления такой характеристики как относительная гладкость изображения R, см.:

Описатель относительной гладкости R приближается к 0 для областей с постоянной яркостью (дисперсия равна нулю) и приближается к 1 для больших значений дисперсии в районах с непостоянной яркостью.

По матрице совместной встречаемости:
-степень однородности или энергия:

-энтропия:

-максимальная вероятность:

-гомогенность (классификация по гомо- и гетероэхогенности):

-контраст (момент разности второго порядка):

-коэффициент корреляции:

На основе построенной гистограммы уровней яркостей:

-контраст:

-второй угловой момент:

-среднее:

-энтропия:

Для решения задачи классификации образов необходимо обладать знаниями о принадлежности образцов (для конкретной задачи - векторов текстурных признаков обучающего множества УЗ изображений) к определенному классу образа (классу эмбологенной опасности атеросклеротической бляшки). В случае, когда такие априорные знания есть, для задачи классификации применима прогнозирующая искусственная нейронная сеть прямого распространения, обучаемая с учителем.

Точность классификации образов зависит от: 1) выбранных для анализа количественных признаков и отстутствия среди них сильно коррелированных между собой величин; 2) топологии сети и количества подстраиваемых весов сети, что делает нейронную сеть способной к обобщению, а не простому запоминанию обучающих примеров; 3) количества обучающих примеров; 4) репрезентативности выборки - соблюдения соответствия пропорций классов в обучающем множестве их пропорциям в исследуемой популяции; 5) выбора параметров сети - скорости обучения и коэффициента инерции, что позволяет избежать паралича и нестабильности сети во время обучения; 6) предварительной обработки входных и выходных данных – приведение к одному диапазону значений всех входов сети.

Создание диагностирующей системы на основе комплексного критерия, отражающего все признаки стабильности АБ, является задачей для решения в будущем. Для выбора конкретного набора признаков, как наиболее различающего и оптимального, требуется выполнить экспериментальные исследования их разрешающей способности при обработке ультразвуковых снимков для классификации и во время самой классификации, а также их быстродействия. Осуществление классификации атеросклеротических бляшек на несколько типов в зависимости от их склонности к разрыву является сложной задачей. В отсутствие возможности поставить однозначный диагноз, можно прибегнуть к оценке вероятности наступления события.

1. Дубров Э.Я. Ультразвуковые критерии эмбологенности атеросклеротической бляшки каротидных артерий // Медицинские статьи. - 2006. - № 1. С.97-103 / Електронний ресурс. Способ доступа: URL: http://www.promeds.ru/states.php?iid=470&id=5
2. Скобцов Ю.А., Оверко В.С., Родин Ю.В., Скобцов В.Ю., Гринь В.К., Штутин А.А. Исследования поведения потоков крови и компьютерная диагностика сосудистых заболеваний // Энергия инноваций - 2005. - № 2-3. - С.40-42.
3. Родин Ю.В. Влияние характеристик атеросклеротической бляшки и факторов риска на вероятность тромбоза внутреней сонной артерии // Вестник неотложной и восстановительной медицины – 2005. – № 4. – С.565-570.
4. Скобцов Ю.А., Оверко В.С., Родин Ю.В., Гринь В.К., Штутин А.А., Пичка В.В. Исследование потоков крови при патологической S-образной извитости сонных артерий // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины.-Донецк: 2006. - Том 12. С. 164-171.
5. Руденко О.Г., Бодянский Е.В. Основы теории искусственных нейронных сетей. - Харьков, 2002. - 317 с.
6. Калло И.Дж. , Эдвардс В.Д., Шварц Р.С. Механизмы и клинические проявления разрывов атеросклеротических бляшек. Translated with the permission of the ACP—ASIM, from: Kullo I.J., Edwards W.D., Schwartz R.S. Vulnerable plaque: pathobiology and clinical implications // Ann. Intern. Med. - 1998. - № 129. - 1050-1060.
7. Скобцов Ю.А., Оверко В.С., Родин Ю.В. Моделирование и визуализация поведения потоков крови при патологических процессах . - Донецк: Издатель Заславский А.Ю., 2008. - 212 с.
8. Шахнович В.А., Митрошин Г.Е., Усачев Д.Ю. и др. О роли эмбологенных и гемодинамических механизмов при симптоматических и асимптомных стенозах сонных артерий // Эхография. 2002. Т. 3. № 1. С. 45-52.
9. Мазур C.Г., Рогожин В.А., Глазовська І.І. Порівняльний аналіз структури атеросклеротичного ураження магістральних артерій голови у хворих з різними формами церебральної судинної патології // Український Радіологічний Журнал. - 2001. - № 9. - С. 38-41. / Електронний ресурс. Спосіб доступу: URL: http://www.imr.kharkov.ua/journal/1_01u/38.pdf
10. Юрин Д.В. Адаптивный выбор значимых текстурных признаков для сегментации изображения / XLIV научная конференция МФТИ. - 2001.