Komputerowe rozumienie obrazów
medycznych przez integrację akwizycji sygnałów,
reprezentacji informacji i modeli wiedzy
UMO-2011/03/B/ST7/03649
EFEKTY
Naczelną hipotezą badawczą była możliwość optymalizacji procesu
rozumienia obrazów według realnych kryteriów
użytkowych (konkretne problemy kliniczne) poprzez integrację:
a)
wszystkich etapów tworzenia i wykorzystania
obrazów na bazie wiarygodnych dziedzinowych modeli wiedzy,
b)
obiektywizacji wybranych form użytkowych i
sposobów aktywności klinicznej (opis tzw. ścieżek klinicznych),
c) metod
inteligencji komputerowej na bazie
koncepcji oszczędnego próbkowania (compressed sensing – CS, tj. teoria
znacznej redukcji liczby pomiarów, problemy
relaksacji i regularyzacji aż do algorytmiki i form implementacyjnych
dających szanse redukcji złożoności
obliczeniowej do akceptowalnych pragmatycznie wymiarów) jako platformy
możliwej integracji wszystkich etapów
pozyskania i użytkowania obrazów.
Analizowano czynniki kształtujące zdolność rozumienia obrazów
konstruując szereg numerycznych deskryptorów i
wprowadzając pojęcie seonów (semantycznych atomów wysoce specyficznych
dla określonych problemów
diagnostycznych). Seon jest bardziej koncepcją, opisem cechy,
właściwości, szczegółu czy tendencji, która różnicuje
stany normalne i anormalne (etap detekcji) oraz symptom patologii od
normy (etap interpretacji). Seon jest głęboko
zakorzeniony w wiedzy dziedzinowej czy pragmatycznej umiejętności
rozpoznania (odkrycia), sięgającej niekiedy
bardzo nieformalnych reakcji intuicyjnych o badawczo weryfikowanej
powtarzalności i stopniowo odkrywanych
korelacjach. Z drugiej strony seon jest uproszczeniem złożonych form
reprezentacji obrazowej, która nawiązuje do
formalnego modelu reprezentacji rzadkiej (poszukiwanie możliwie rzadkiej
formy reprezentacji różnicującej). Seon jest
sam w sobie próbą realizacji rezonansu poznawczego, integrującego efekty
poznania eksperckiego z numeryczną formą
reprezentacji ich bazujących na obrazie interpretacji. Deskryptor jest
numerycznym opisem seonu (seonów)
realizującym informatycznie realia kliniczne. Przyglądano się także
samemu procesowi poznawczemu, relacjom
pomiędzy percepcją-postrzeganiem a samym poznaniem, interpretacją i
rozumieniem w kontekście złożonych
problemów weryfikacji przypadków referencyjnych. Starano się wpisać
koncepcję seonów w realne zadania kliniczne,
koncentrując się przede wszystkim na zagadnieniu wsparcia ścieżki
diagnostycznej nagłych udarów mózgu od
momentu incydentu po decyzji dot. efektywnej formy terapii (trombolizy,
trombektomii). Dodatkowo analizowano
możliwość poprawy skuteczności opisu mammogramów w kontekście
niejednoznacznej reprezentacji symptomów raka
sutka, gdzie wobec szeroko stosowanych badań przesiewowych i prostych
procedur diagnostycznych koncentrowano
się na możliwości zwiększenia walorów poznawczych klasycznej mammografii poprzez wykorzystanie modeli wiedzy
w doskonaleniu deskryptorów semantycznych na bazie poszukiwań
skutecznych seonów (zaproponowano model zmian
spikularnych w mammogramach różnicujący lokalną tkankę złośliwa i
łagodną), niezmienniczych względem
niestabilnych uwarunkowań realnych procedur diagnostycznych.
Konstrukcja modeli wiedzy i umiejętności przybrała formę ontologii
DStrokeOnto oraz formalnych schematów
blokowych opisujących ścieżki kliniczne. Wykorzystano także reguły
wnioskowania zawarte w strukturze ontologii (3
ortogonalne moduły główne i 10 podmodułów; ontologię DStrokeOnto
wyspecyfikowano w języku angielskim,
sformalizowano przy użyciu edytora Protégé-2000 ver. 3.5, użyto dialektu
OWL-DL języka OWL; poprawność
syntaktyczną potwierdzono przez motor wnioskowania Pellet ver 1.5.2)
oraz konstruowane w technologiach
wspierających (excel, drools) i odnoszących się do dynamicznych baz
danych i faktów (ADF Oracle).
Badano potencjał CS w kontekście zadań integracyjnych modeli wiedzy oraz
realnych technologii pomiaru sygnałów,
aż po stosowane formy użytkowe informacji obrazowej. Za szczególnie
korzystne uznano poszukiwanie różnych form
adaptacji schematu akwizycji (problem minimalizacji dawki w CT przy
maksymalizacji korzyści użytkowych w
diagnostyce wczesnych udarów mózgu). Dodatkowo badano zależność procesów
regularyzacji i relaksacji
wymagających obliczeniowo norm oraz procedur optymalizacyjnych od
semantycznych modeli wiedzy klinicznej.
Kryteriów obrazowe odnoszono z jednej strony do zintegrowanych procedur
technologicznych dobieranych
adaptacyjnie, zaś z drugiej do zobiektywizowanych modeli warunkowań
klinicznych. Efekt wzajemnego dopasowania
uzyskano wykorzystując integrujące możliwości optymalizacji CS,
koncepcji reprezentacji rzadkich i metryk
semantycznych.
Wynikiem końcowym jest koncepcja zintegrowanego modelu obrazu jako
prostej formy przestrzennej wizualizacji
rzeczywistości mierzonej, maksymalizującej efekt poznawczy w kontekście
ściśle zdefiniowanej ścieżki klinicznej.
Przesunięto więc akcenty diagnostyki obrazowej: trudny, obarczony
znaczącym poziomem błędów etap interpretacji
rejestrowanych obrazów diagnostycznych można sprowadzić do prostszego
efektu poznania obrazów będących
dobranym do aktualnych modeli wiedzy przekazem jedynie esencji
informacji diagnostycznej. Integracja całej
obiektywizowanej i uaktualnianej wiedzy odbywa się na etapie
komputerowej analizy pomiarów obrazowych i
dostępnych danych klinicznych, a interpretacja radiologa dotyczy
syntetycznego obrazu specyfiki przypadku,
charakteryzującego możliwie jednoznacznie pacjenta w kontekście
ustalonego zadania diagnostycznego.
Scementował się interdyscyplinarny zespół modelowania istotnych zadań
klinicznych. Metodą jest integracja pojęć,
procedur i kryteriów na synergicznym poziomie wspólnym, dającym nową
jakość poprzez:
a) uproszczenie
reprezentacji wiedzy i działań,
b) obiektywizację komponentów kluczowych
działań ekspertów,
c) weryfikację na
poziomie decyzyjnym (pragmatycznym) w procedurze numerycznej
optymalizacji.
Podstawą jest: zrozumienie
a)
przesłanek działań ekspertów, b) specyfiki mierzonych danych,
c)
optymalnych kryteriów użyteczności.
Opublikowano bądź przygotowano do publikacji ponad 20 prac (oprócz
opublikowanych i zgłoszonych, dwie pracy w
przygotowaniu: A. Przelaskowski, W.Smolik, R. Cierniak:A
compressed-sensing-based method of adaptive
reconstruction for sparse-region CT oraz A.Przelaskowski: Cognitive
seons for medical image understanding: proof of
concept-aktualny stan na adimed.pl), w tym oryginalne, odważne
koncepcje seonów, Stroke Bricks i systemu wsparcie
szybkiej ścieżki udarowej. Obroniony został jeden doktorat, a dwa inne
zostały istotnie zaawansowane (stan około
90%). Przygotowanie monografii można ocenić na 70%. Rozszerzono istotnie
bazę danych, szczególnie w zakresie
informacji klinicznej (epikryzy) towarzyszącej badaniom obrazowym (razem
ze starą bazą daje to blisko 330 badań
pacjentów, w tym około 80% z uzupełniającymi danymi klinicznymi; grupę
kontrolną zwiększono do blisko 100
przypadków). Opracowano ontologię, szereg algorytmów, modeli i
implementacji służących realizacji narzędzi CAD
wspierających diagnostykę i terapię udarów mózgu oraz diagnostykę raka
sutka. Zbiór dodatkowych opracowań
(wyniki analiz, opisy, zestawienia itd.) zebrano na stronie aidmed.pl.