Computational methods for atherosclerotic plaque characterization
Φόρτωση...
Ημερομηνία
Συγγραφείς
Αθανασίου, Λάμπρος Σ.
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Θετικών Επιστημών. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Περίληψη
Τύπος
Είδος δημοσίευσης σε συνέδριο
Είδος περιοδικού
Είδος εκπαιδευτικού υλικού
Όνομα συνεδρίου
Όνομα περιοδικού
Όνομα βιβλίου
Σειρά βιβλίου
Έκδοση βιβλίου
Συμπληρωματικός/δευτερεύων τίτλος
Περιγραφή
This thesis focuses on the atherosclerotic plaque characterization using invasive and non-invasive imaging modalities. The outermost aim is the development and implementation of atherosclerotic plaque characterization methodologies using Intravascular Ultrasound (IVUS), Optical Coherence Tomography (OCT) and Computed Tomography (CT) images of coronary vessels. The research was initiated after studying the limitations of existing automated plaque characterization methodologies, applied to widely used imaging modalities. In order to overcome these limitations, several methodologies have been developed.
In the first chapter, the anatomy and physiology of the cardiovascular system is presented. It is described in detail and the relevant literature is provided for the following topics: heart functionality along with the vascular system, blood circulation and atherosclerosis. The imaging methods, invasive and non-invasive, for the investigation of plaque composition are presented also in detail. In the second chapter the up to date literature and their limitations are highlighted. The methodologies developed for segmenting and characterizing atherosclerotic plaque using IVUS, OCT and CT images are presented. In the third chapter two novel methodologies for the automated identification of different plaque components in grayscale IVUS images, are presented. The first methodology is based on a hybrid approach that incorporates both image processing techniques and classification algorithms. The methodology allows classification of the plaque into three different categories, providing reliable results when compared to experts' annotations. The second IVUS plaque characterization methodology classifies the plaque into four classes. In order to train and validate the methodology, we used IVUS frames acquired from a commercially available software. In the fourth chapter a novel methodology that processes OCT images in a fully automated manner is presented. The proposed methodology is able to detect the lumen borders in OCT frames, identify the plaque region and detect four plaque types. The efficiency of the developed methodology was evaluated using experts' annotations. In the fifth chapter a new methodology for automated three-dimensional (3D) reconstruction of coronary arteries and characterization of plaque morphology in CT images, is presented. The methodology detects the inner - outer wall vessel borders, detects the calcium plaque and reconstructs the vessel and plaque into 3D surfaces. The methodology was validated using the estimations of the recently presented IVUS plaque characterization methodology. In the sixth chapter a study for propagating the imaging errors and image segmentation errors in plaque characterization methodologies applied to 2D vascular images, is presented. The maximum error that can be propagated to the plaque characterization results is calculated, assuming worst case scenarios. The proposed error propagation methodology is validated using methods applied to real datasets, obtained from IVUS and OCT systems. Finally, in the seventh chapter, a framework for the inflation of histology/micro-CT images based on IVUS is presented. The proposed methodology inflates the deformed histological/micro-CT images, which are the current gold standard in plaque characterization, based on the IVUS and micro-CT/histological lumen contour difference. In order to validate the proposed image inflation methodology plaque areas in the inflated micro-CT and histological images are compared with the ones in the IVUS images.
The contribution of this thesis is related to the following: (i) the implementation of new plaque characterization methodologies which overcome the literature limitations, (ii) the emergence of producing plaque characterization methodologies that can be applied to recently developed imaging systems, (iii) the presentation of methodologies able to produce 3D arterial and plaque models for investigating the evolution of the plaque, (iv) the study and analysis of the error propagation of imaging systems to plaque detection, and (v) the automated image registration of intravascular images with histology.
Η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει στο πρόβλημα του χαρακτηρισμού της αθηρωματικής πλάκας χρησιμοποιώντας επεμβατικές και μη επεμβατικές απεικονιστικές μεθόδους. Απώτερος σκοπός είναι η ανάπτυξη και η εφαρμογή μεθοδολογιών για το χαρακτηρισμό της αθηρωματικής πλάκας χρησιμοποιώντας εικόνες ενδοαγγειακού υπερηχογραφήματος (IVUS), οπτικής συνεκτικής τομογραφίας (OCT) και αξονικής τομογραφίας (CT). Η έρευνα ξεκίνησε κατόπιν μελέτης των περιορισμών στις υφιστάμενες αυτοματοποιημένες μεθοδολογίες χαρακτηρισμού αθηρωματικής πλάκας, οι οποίες εφαρμόζονται σε ευρέως χρησιμοποιούμενες απεικονιστικές μεθόδους. Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, αναπτύχθηκαν νέες μεθοδολογίες. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν και παρουσιάζονται για πρώτη φορά μεθοδολογίες για τον χαρακτηρισμό της αθηρωματικής πλάκας σε προσφάτως ανεπτυγμένα συστήματα απεικόνισης. Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η ανατομία και η φυσιολογία του καρδιαγγειακού συστήματος. Συγκεκριμένα, περιγράφεται με λεπτομέρεια και παρέχεται η σχετική βιβλιογραφία για τα ακόλουθα θέματα: λειτουργία της καρδιάς και του αγγειακού συστήματος, κυκλοφορία του αίματος και αθηροσκλήρωση. Τέλος, παρουσιάζονται λεπτομερώς όλες οι μέθοδοι απεικόνισης, επεμβατικές και μη επεμβατικές, για τη διερεύνηση της σύνθεσης πλάκας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέχρι σήμερα βιβλιογραφία και επισημαίνονται οι περιορισμοί της σχετικά με τις μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν για την κατάτμηση και τον χαρακτηρισμό αθηρωματικής πλάκας με τη χρήση εικόνων IVUS, OCT και CT. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται δύο νέες μεθοδολογίες για την αυτόματη κατηγοριοποίηση των διαφορετικών ειδών αθηρωματικής πλάκας χρησιμοποιώντας εικόνες IVUS. Η πρώτη μεθοδολογία βασίζεται σε μια υβριδική προσέγγιση που συνδυάζει τεχνικές επεξεργασίας εικόνας και αλγορίθμους ταξινόμησης. Η μεθοδολογία αυτή επιτρέπει την κατάταξη της πλάκας σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα σε σύγκριση με τις επισημάνσεις ειδικών. Η δεύτερη μεθοδολογία χαρακτηρισμού πλάκας χρησιμοποιώντας εικόνες IVUS, κατατάσσει την πλάκα σε τέσσερις κατηγορίες. Για την εκπαίδευση και την αξιολόγηση της μεθοδολογίας, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες IVUS προερχόμενες από ένα εμπορικά διαθέσιμο λογισμικό. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται για πρώτη φορά μια νέα μεθοδολογία που επεξεργάζεται OCT εικόνες με ένα πλήρως αυτοματοποιημένο τρόπο. Η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι σε θέση να ανιχνεύσει τα σύνορα αυλού στις εικόνες OCT, να προσδιορίσει την περιοχή της πλάκας και να εντοπίσει τέσσερις διαφορετικούς τύπους πλάκας. Η αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας επισημάνσεις ειδικών. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία για την αυτοματοποιημένη τρισδιάστατη (3Δ) ανακατασκευή των στεφανιαίων αρτηριών και της μορφολογίας της πλάκας χρησιμοποιώντας εικόνες CT. Η μεθοδολογία ανιχνεύει τα εσωτερικά και εξωτερικά σύνορα του αγγείου, ανιχνεύει την πλάκα ασβεστίου και ανακατασκευάζει το αγγείο και την πλάκα σε 3Δ επιφάνειες. Η μεθοδολογία, αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της IVUS μεθοδολογίας χαρακτηρισμού πλάκας. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μελέτη για την διάδοση των σφαλμάτων απεικόνισης και των λαθών κατάτμησης της περιοχής της πλάκας στις μεθοδολογίες χαρακτηρισμού πλάκας. Υπολογίζεται το μέγιστο σφάλμα που μπορεί να διαδοθεί στα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού πλάκας. Η προτεινόμενη μεθοδολογία διάδοσης των σφαλμάτων αξιολογήθηκε με τη χρήση μεθόδων που εφαρμόζονται σε πραγματικά δεδομένα που προέρχονται από IVUS και OCT συστήματα απεικόνισης. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μεθοδολογία για τη εμφύσηση των εικόνων ιστολογίας/micro-CT χρησιμοποιώντας IVUS. Η προτεινόμενη μεθοδολογία διογκώνει το παραμορφωμένο τοίχωμα των εικόνων ιστολογίας/micro-CT, οι οποίες αποτελούν τη χρυσή τομή για το χαρακτηρισμό πλάκας, βασιζόμενη στη διαφορά των ορίων του αυλού στις εικόνες ιστολογίας/micro-CT. Για την αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας περιοχές πλάκας στις διογκωμένες micro-CT και ιστολογικές εικόνες συγκρίνονται με εκείνες των εικόνων IVUS. Η συνεισφορά της παρούσας διατριβής εντοπίζεται στους ακόλουθους συγκεκριμένους τομείς: (i) στην εφαρμογή νέων μεθοδολογιών χαρακτηρισμού αθηρωματικής πλάκας οι οποίες ξεπερνούν τους περιορισμούς της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, (ii) στην ανάγκη ανάπτυξης μεθοδολογιών χαρακτηρισμού αθηρωματικής πλάκας ικανές να εφαρμοστούν σε προσφάτως ανεπτυγμένα συστήματα απεικόνισης, (iii) στην παρουσίαση μεθοδολογιών ικανών να παράγουν 3Δ μοντέλα αρτηριακής πλάκας, για τη διερεύνηση της εξέλιξης της αθηρωματικής πλάκας, (iv) στην μελέτη και την ανάλυση της διάδοσης των σφαλμάτων των συστημάτων απεικόνισης στην ανίχνευση της πλάκας, και (v) στην αυτοματοποιημένη ευθυγράμμιση των εικόνων ιστολογίας με ενδοαγγειακές εικόνες.
Η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει στο πρόβλημα του χαρακτηρισμού της αθηρωματικής πλάκας χρησιμοποιώντας επεμβατικές και μη επεμβατικές απεικονιστικές μεθόδους. Απώτερος σκοπός είναι η ανάπτυξη και η εφαρμογή μεθοδολογιών για το χαρακτηρισμό της αθηρωματικής πλάκας χρησιμοποιώντας εικόνες ενδοαγγειακού υπερηχογραφήματος (IVUS), οπτικής συνεκτικής τομογραφίας (OCT) και αξονικής τομογραφίας (CT). Η έρευνα ξεκίνησε κατόπιν μελέτης των περιορισμών στις υφιστάμενες αυτοματοποιημένες μεθοδολογίες χαρακτηρισμού αθηρωματικής πλάκας, οι οποίες εφαρμόζονται σε ευρέως χρησιμοποιούμενες απεικονιστικές μεθόδους. Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, αναπτύχθηκαν νέες μεθοδολογίες. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν και παρουσιάζονται για πρώτη φορά μεθοδολογίες για τον χαρακτηρισμό της αθηρωματικής πλάκας σε προσφάτως ανεπτυγμένα συστήματα απεικόνισης. Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η ανατομία και η φυσιολογία του καρδιαγγειακού συστήματος. Συγκεκριμένα, περιγράφεται με λεπτομέρεια και παρέχεται η σχετική βιβλιογραφία για τα ακόλουθα θέματα: λειτουργία της καρδιάς και του αγγειακού συστήματος, κυκλοφορία του αίματος και αθηροσκλήρωση. Τέλος, παρουσιάζονται λεπτομερώς όλες οι μέθοδοι απεικόνισης, επεμβατικές και μη επεμβατικές, για τη διερεύνηση της σύνθεσης πλάκας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέχρι σήμερα βιβλιογραφία και επισημαίνονται οι περιορισμοί της σχετικά με τις μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν για την κατάτμηση και τον χαρακτηρισμό αθηρωματικής πλάκας με τη χρήση εικόνων IVUS, OCT και CT. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται δύο νέες μεθοδολογίες για την αυτόματη κατηγοριοποίηση των διαφορετικών ειδών αθηρωματικής πλάκας χρησιμοποιώντας εικόνες IVUS. Η πρώτη μεθοδολογία βασίζεται σε μια υβριδική προσέγγιση που συνδυάζει τεχνικές επεξεργασίας εικόνας και αλγορίθμους ταξινόμησης. Η μεθοδολογία αυτή επιτρέπει την κατάταξη της πλάκας σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα σε σύγκριση με τις επισημάνσεις ειδικών. Η δεύτερη μεθοδολογία χαρακτηρισμού πλάκας χρησιμοποιώντας εικόνες IVUS, κατατάσσει την πλάκα σε τέσσερις κατηγορίες. Για την εκπαίδευση και την αξιολόγηση της μεθοδολογίας, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες IVUS προερχόμενες από ένα εμπορικά διαθέσιμο λογισμικό. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται για πρώτη φορά μια νέα μεθοδολογία που επεξεργάζεται OCT εικόνες με ένα πλήρως αυτοματοποιημένο τρόπο. Η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι σε θέση να ανιχνεύσει τα σύνορα αυλού στις εικόνες OCT, να προσδιορίσει την περιοχή της πλάκας και να εντοπίσει τέσσερις διαφορετικούς τύπους πλάκας. Η αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας επισημάνσεις ειδικών. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία για την αυτοματοποιημένη τρισδιάστατη (3Δ) ανακατασκευή των στεφανιαίων αρτηριών και της μορφολογίας της πλάκας χρησιμοποιώντας εικόνες CT. Η μεθοδολογία ανιχνεύει τα εσωτερικά και εξωτερικά σύνορα του αγγείου, ανιχνεύει την πλάκα ασβεστίου και ανακατασκευάζει το αγγείο και την πλάκα σε 3Δ επιφάνειες. Η μεθοδολογία, αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της IVUS μεθοδολογίας χαρακτηρισμού πλάκας. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μελέτη για την διάδοση των σφαλμάτων απεικόνισης και των λαθών κατάτμησης της περιοχής της πλάκας στις μεθοδολογίες χαρακτηρισμού πλάκας. Υπολογίζεται το μέγιστο σφάλμα που μπορεί να διαδοθεί στα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού πλάκας. Η προτεινόμενη μεθοδολογία διάδοσης των σφαλμάτων αξιολογήθηκε με τη χρήση μεθόδων που εφαρμόζονται σε πραγματικά δεδομένα που προέρχονται από IVUS και OCT συστήματα απεικόνισης. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μεθοδολογία για τη εμφύσηση των εικόνων ιστολογίας/micro-CT χρησιμοποιώντας IVUS. Η προτεινόμενη μεθοδολογία διογκώνει το παραμορφωμένο τοίχωμα των εικόνων ιστολογίας/micro-CT, οι οποίες αποτελούν τη χρυσή τομή για το χαρακτηρισμό πλάκας, βασιζόμενη στη διαφορά των ορίων του αυλού στις εικόνες ιστολογίας/micro-CT. Για την αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας περιοχές πλάκας στις διογκωμένες micro-CT και ιστολογικές εικόνες συγκρίνονται με εκείνες των εικόνων IVUS. Η συνεισφορά της παρούσας διατριβής εντοπίζεται στους ακόλουθους συγκεκριμένους τομείς: (i) στην εφαρμογή νέων μεθοδολογιών χαρακτηρισμού αθηρωματικής πλάκας οι οποίες ξεπερνούν τους περιορισμούς της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, (ii) στην ανάγκη ανάπτυξης μεθοδολογιών χαρακτηρισμού αθηρωματικής πλάκας ικανές να εφαρμοστούν σε προσφάτως ανεπτυγμένα συστήματα απεικόνισης, (iii) στην παρουσίαση μεθοδολογιών ικανών να παράγουν 3Δ μοντέλα αρτηριακής πλάκας, για τη διερεύνηση της εξέλιξης της αθηρωματικής πλάκας, (iv) στην μελέτη και την ανάλυση της διάδοσης των σφαλμάτων των συστημάτων απεικόνισης στην ανίχνευση της πλάκας, και (v) στην αυτοματοποιημένη ευθυγράμμιση των εικόνων ιστολογίας με ενδοαγγειακές εικόνες.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Atherosclerotic plaque, Cardiovascular system
Θεματική κατηγορία
Atherosclerotic plaque
Παραπομπή
Σύνδεσμος
Γλώσσα
en
Εκδίδον τμήμα/τομέας
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Θετικών Επιστημών. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Όνομα επιβλέποντος
Φωτιάδης, Δημήτριος Ι.
Εξεταστική επιτροπή
Φωτιάδης, Δημήτριος Ι.
Μιχάλης, Λάμπρος
Χαραλαμπόπουλος, Αντώνιος
Αγαθόπουλος, Συμεών
Παπαλουκάς, Κωνσταντίνος
Κατσούρας, Χρήστος
Γεργίδης, Λεωνίδας
Μιχάλης, Λάμπρος
Χαραλαμπόπουλος, Αντώνιος
Αγαθόπουλος, Συμεών
Παπαλουκάς, Κωνσταντίνος
Κατσούρας, Χρήστος
Γεργίδης, Λεωνίδας
Γενική Περιγραφή / Σχόλια
Ίδρυμα και Σχολή/Τμήμα του υποβάλλοντος
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Θετικών Επιστημών. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
Πίνακας περιεχομένων
Χορηγός
Βιβλιογραφική αναφορά
Βιβλιογράφία : σ. 175-207
Ονόματα συντελεστών
Αριθμός σελίδων
209 σ.