بخشی از مقاله
چکیده
اسکلروز چندگانه - ام اس - یک بیماری التهابی، مزمن، ماندگار و مخرب سیستم مرکزی عصبی میباشد که علت آن هنوز مشخص نیست اما به احتمال زیاد میتواند ناشی از واکنش یک سری عوامل ناشناخته محیطی با ژنهای حساس باشد. MRI یک مدل بالفعل در مطالعات تصویربرداری عصبی است که منجر به کنتراست بهتر تصویر در بافت نرم میشود. به علت مشخص نبودن علت بیماری ام اس و عدم درمان قطعی شخیص زودهنگام این بیماری حائز اهمیت است.
جهت تشخیص پلاکهای ام اس از قطعه بندی تصاویر ام آر آی استفاده میشود. تصاویر ام آر آی دارای خطای تصویر که اغلب غیریکنواختی شدت نور تصویر نامیده می شود می باشند. روشهای مختلفی برای تصحیح غیریکنواختی تصاویر وجود دارد که یکی از آنها روش N3 میباشد. روش N3 به عنوان یک روش شارپ کردن هیستوگرام میباشد و مزیت آن عدم نیاز دانش اولیه در مورد ورودی ام آر آی میباشد.
هدف این مقاله یافتن و کاهش اثر میدان بایاس بر روی تصویر با استفاده ازالگوریتم N3 و اثر پارامتر سن میباشد که بعد از اعمال الگوریتم N3 بر روی تصاویر و حذف اثر میدان بایاس و سپس اعمال الگوریتم های خوشه بندی ، PCAوSVM نرخ روش مذکور به 93,28 درصد رسید که در مقایسه با روشهای قبلی 3,78 درصد بهبود را نشان می دهد.
-1 مقدمه
اسکلروز چندگانه - ام اس - یک بیماری شایع، غیرجراحتی و بیماری عصبیای است که باعث ایجاد ناتوانی در افراد جوان میگردد که به صورت پاتولوژیکی توسط نواحی از التهاب، کاهش آکسونال و پراکندگی گلیوسیس ها در سراسر سیستم عصبی مرکزی مشخص میشود. بیماری ام اس اغلب باعث اختلال های حسی، بینایی، هماهنگی و ... میشود. دو پدیده اصلی بالینی از زیر نمونه های ام اس عود نمودن و پیشرفت بیماری هستند. علائم بهبود اولیه در بیماری احتمالاً در اثر وجود ملین سازی مجدد، تفکیک پذیری التهاب، و مکانیسم های جبرانی از جمله بازسازی کانالهای سدیم آکسولمال و انعطاف پذیری غشائی ظاهر میشود. پس از حملات مکرر اثرات مکانیسمهای بازیابی کمتر میشود.
ام اس بیشتر در اروپا، ایالات متحده، کانادا، نیوزیلند و بخشهایی از استرالیا شایع است اما در آسیا، مناطق گرمسیری و اقلیم های نیمه گرمسیری به ندرت رخ میدهد. در نواحیای که آب و هوای معتدل دارند شیوع و انتشار ام اس با عرض جغرافیایی افزایش مییابد - شمال و جنوب خط استوا - یعنی هر چه از خط استوا دورتر شویم احتمال بیماری ام اس افزایش می یابد. ام اس بین دو و سه برابر در زنان شایع تر از مردان است. انتشار ام اس در دوران بچگی کم است بعد از سن 18 سالگی به سرعت افزایش مییابد و در سنین 35-25 سالگی به حداکثر اوج خود می رسد و بعد از آن به نرمی فروکش کرده و در سن 50 سالگی به بعد خیلی کم اتفاق میافتد. علت بیماری ام اس هنوز مشخص نیست اما به احتمال زیاد می تواند ناشی از واکنش یک سری عوامل ناشناخته محیطی با ژنهای حساس باشد.
تشخیص زود هنگام بیماری ام اس گامی مهم در فرآیند درمان این بیماری محسوب میشود .یکی از مهمترین وسیله های تشخیص و پیگیری این بیماری، استفاده از روش تصویر برداری تشدید مغناطیسی - ام آر آی - است. اما با توجه به تجزیه و تحلیل حجم زیادی از داده های MR، بخشبندی دستی این ضایعات توسط متخصصان امری دشوار و زمانبر است. از این رو قطعه بندی خودکار ضایعات ام اس در تصاویر MR مغزی در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است.
مغز انسان از بافت های متفاوتی تشکیل شده است که به لحاظ آناتومیکی میتواند به بخش هایی همچون جمجمه، مایع مغزی نخاعی، ماده خاکستری، ماده سفید، ماهیچه، چربی، مویرگ و حفره تقسیم شود.
بهترین راه برای مشاهده و بررسی بافتهای مذکور این است که با یک روش غیرتهاجمی از درون آن بافت تصویربرداری کرد که بدین منظور بهترین وسیله برای عکسبرداری از بافتهای مغز استفاده از تصویر برداری تشدید مغناطیسی میباشد.
ام آر آی به عنوان یکی از مدلهای بسیار مهم تصویربرداری پزشکی محسوب میشود به صورت مجازی غیرتهاجمی است و کنتراست عالی برای بافتهای نرم تولید میکند. ام آر آی یک تکنیک تصویربرداری عالی برای مطالعه مغز میباشد. برای این منظور پروتکلهای مختلف ام آر آی شامل موارد ذیل مورد استفاده قرار میگیرند.[5]
T1-weighted - T1-W - × •
T2-weighted - T2-W - × •
PD-weighted - PD-W - × •
تکنیکهای ام آر آی سنتی از جمله T2-W و T1-W در تشخیص پلاک-های ام اس بسیار حساس هستند. معیارهای مشتق شده از ام آر آی به ابزار پاراکلینیکی بسیار مهمی برای تشخیص ام اس تبدیل میشوند. هر دو پلاک حاد و مزمن ام اس به عنوان نواحی کانونی با شدت سیگنال بالا در دنباله T2-W نمایان میشود. تصویربرداری T1-W در تشخیص فعالیتهای التهابی بسیار حساس است.
تحلیل رفتن مغز و طناب نخاعی یک بخش مهم پاتولوژی ام اس است و به صورت بالینی جزء اصلی پیشرفت بیماری محسوب میشود. معیارهای کمی - عددی - از آتروفی کل مغز توسط روشهای خودکار و نیمه خودکار میتواند بدست بیاید که پیشرفت تحلیل حجم بافت مغز در داخل بدن را به شیوه ای حساس و تجدید پذیر نمایش میدهد. در تحلیل کمی از ضایعههای کانونی در مطالعات مقطعی و طولی برای محاسبه تعداد کل ضایعه ها و مجموع حجم ضایعه قطعه بندی دستی و نیمه اتومات مورد استفاده قرار میگیرد. قطعه بندی دستی زمانبر است و چون قطعات زیادی برای تصاویر سهبعدی هر بیمار مورد نیاز است چالش برانگیز میباشد.
قطعهبندی تصاویر MR مغز به دلیل پارامترهای متغیر تصویربرداری ، تداخل شدت نور، نویز، شیب، حرکت، پژواک و … مشکل است پس قبل از بکار بردن هر روشی برای قطعه بندی ضایعه ام اسعموماً دو گام پیش-پردازش باید انجام شود: اول حذف مصنوعات تصویر و دوم باید هر بافت غیر مغزی از تصویر حذف شود. زیرا فرآیندی با وجود انواع مصنوعات و عوامل محیطی منجر به یک قطعه بندی نادرست میشود
تصاویر ام آر آی از خطای تصویر که اغلب به میدان بایاس یا شدت غیر یکنواختی مربوط میشود رنج میبرند. میدان بایاس یک سیگنال فرکانس پایین و خیلی صاف میباشد که کیفیت تصاویر ام آر آی بخصوص تصاویری که توسط ماشین های ام آر آی قدیمی تولید میشوند را پایین میآورد.
تصحیح میدان بایاس در اکثر تجزیه و تحلیلهای ام آر آی یک جزء بسیار مهم و از اولین گامهای پیش پردازش است که اثر آن تحلیل اتومات تصویر را پیچیده میکند.
روش های مختلفی برای تصحیح میدان بایاس وجود دارد که به سه گروه مدل متفاوت تقسیم میشوند:
· روشهای مبتنی بر مدل تولیدی
· روشهای اکتشافی
· روشهای ترکیبی
الگوریتم N3 جزء روشهای ترکیبی و بین روشهای مبتنی بر مدل تولیدی و روشهای اکتشافی است، و مزیتی که دارد این است که بر روی هر تصویر ام آر آی بدون داشتن دانش اولیهای در مورد آن تصویر قابل اجرا می-باشد
N3 یک تکنیک تصحیح غیریکنواختی میباشد که یک میدان ضرب شونده را مییابد که محتویات فرکانس توزیع شدت اسکن تصحیح شده را بیشینه میکند. N3 توسط یک تخمین گوسی از شدت اسکن واقعی با دکانولوشن و سپس استفاده از این توزیع و اسکن واقعی برای بدست آوردن تخمین میدان غیر یکنواختی ادامه مییابد. این میدان سپس توسط میدان شدت نور B-spline مکعبی برای تخمین استفاده نقطه پایه مسافت انتخاب شده صاف میشود. این تخمین صافی سپس از اسکن واقعی حذف میشود و فرآیند دوباره شروع میشود. تکرار تا زمانی که تخمین یکنواختی همگرا می شود ادامه مییابد.
Freesurfer ابزاری برای مورفومتری مغز میباشد. واژه مورفومتری به اندازه شکل بر میگردد. مورفومتری مغز متقابلاً با اندازه حجم یا تغییرات ساختاری در مغز در ارتباط است. پردازش خط لوله Freesurfer با قطعه بندی نواحی مدنظر مغز از جمله WM,GMوCSF شکل را اندازه گیری میکند.Freesurfer در حال حاضر الگوریتم اولیه تصحیح میدان بایاس رایج N3 در pipeline را برای حل این مشکل بکار میگیرد
در سالهای اخیر روشهای پیشپردازش و قطعهبندی زیادی برای تحلیل تصاویر ام آر آی و تشخیص ضایعات ام اس معرفی شده است که در ادامه به بخشی از آنها اشاره میشود.
اولین طبقهبندی بین استراتژیهای طبقهبندی نظارتی و غیرنظارتی ایجاد میشود. گروه نظارتی به روشهای مبتنی بر اطلس و آنهایی که مبتنی بر آموزش بوسیله الگوهای استخراج شده از قطعه بندی دستی میباشند تقسیم میشود. گروه غیر نظارتی نیز به تکنیکهایی که از قطعه بندی بافت برای یافتن ضایعهها استفاده می کنند و آنهایی که فقط از ویژگیهای ضایعه برای قطعه بندی استفاده میکنند تقسیم میشود
روش Van Leemput و همکاران؛ آنها یک روش نظارتی مبتنی بر اطلس ارائه نمودند و یک طبقه بندی بافت مبتنی بر شدت نور تصویر با استفاده از یک مدل استخراج شده از الگوریتم بیشینه سازی امید ریاضی - - EM را ارائه دادند. در حالیکه همزمان تشخیص ضایعه ام اس به عنوان outlier ها به خوبی توسط مدل شرح داده نشد. در این روش یک طبقه بندی قبلی از یک اطلس دیجیتال مغزی شامل اطلاعاتی در مورد مکان مورد انتظار WM,GM و CSF مشتق میشود. روش آنها همچنین ناهمگنیهای میدانی ام آر آی ، مدلهای شدت نور تصویر تخمینی بافت ویژه از خود داده ها و ترکیب اطلاعات متنی درون یک طبقه بندی با استفاده از یک MRF را تصحیح میکند
روش wu و همکاران؛ آنها یک قطعه بندی اتومات از ضایعه ام اس در سه زیرگروه افزایش ضایعات، سیاه چاله ها و ضایعات شدت بالا مبتنی بر KNN را ارائه دادند. بر اساس مفروضات این روش ضایعه فقط درون نواحی WM یافت میشود و تمام ضایعات خارج از ماسک ها را رد کردند.
روش آقای Zijdenbos و همکارانش که از استخراج احتمالات اطلس استفاده میکند و بافت شامل WM, GM و CSF را شامل میشود. شدت نور تصاویر T1-W ,T2-W و PD-W به عنوان ورودی های طبقه بند ANN می باشند که ضایعه را قطعه بندی مینمایند..
روش Shiee و همکاران؛ روش آنها بافت های مغز را به شیوه تکرار قطعه بندی میکند. آنها از تصاویر چند کاناله برای قطعهبندی ساختار اصلی تمام مغز استفاده نمودند. آنها از تکنیک های قطعهبندی مبتنی بر اطلس استفاده نمودند که اطلس آماری و اطلس توپولوژیکی را با هم و با الگوریتم FCM برای قطعهبندی بکار بردند. همانطور که توسط آنها گزارش شد مزایای استفاده از اطلس توپولوژیکی این است که تمام ساختارهای قطعه بندی شده محدود به مکان هستند که این به فرآیندهای بعدی اجازه احیاء غشا و آشکار نمودن غشا را میدهد.
Sled یک روش جدید - N3 - از تصحیح برای غیریکنواختی شدت نور تصویر ارائه داد که به یک مدل پارامتریک از شدت نور بافت و یا قطعهبندی ضایعه به درون نواحی پیوسته متکی نبود. اولی توسط توانایی روش N3 برای تصحیح غیریکنواختی شدت نور تصویر در دادههای MR صرف نظر از توالی پالس و بدون آموزش اولیه نشان داده میشود. دیگری توسط توانایی روش-هایی برای تصحیح غیریکنواختی با استفاده از ساختار یک میدان تصادفی حتی هنگامی که غیریکنواختی بطور واضح قابل رویت نباشد نشان داده می-شود. N3یک روش تکرارشونده کاملاً اتوماتیک است که روی دیتاستهای حجمی سه بعدی عمل میکند.
در این مقاله قصد داریم با اعمال الگوریتم N3 به عنوان یکی از مراحل پیش پردزاش تصاویر MR و حذف میدان بایاس و نیز افزودن اثر پارامتر سن در قطعهبندی تصاویر ام آر آی در جهت تشخیص بیماری ام اس روش قبلی موجود را بهبود بخشیم.
شکل - : - 1 خطای تقریبی میدان روی دادههای شبیه سازی شده برای یک رنج از پارامتر FWHM و دو میدان غیریکنواختی متفاوت.
-2 غیر یکنواختی شدت نور تصویر
غیریکنواختی شدت نور تصویر تغییر آرام شدت نور تصویر است که اغلب در تصاویر MR دیده میشود و ناشی از بعضی فاکتورهای ذیل است:
· القاء فرکانس رادیویی - RF -
· ناهمگنی حساسیت دریافت غیریکنواخت
· فعل و انفعالات الکترودینامیکی با هدف شرح داده شده به عنوان نفوذ RF و
· حالت اثر موج.
سایر عوامل کم اهمیتتر دخیل در غیریکنواختی شامل موارد ذیل میباشد:
· جریان های گردابی ناشی از سوئیچینگ شیب میدان
· اختلال در سیم پیچ RF
· فیلتر پهنای باند داده
· اعوجاج هندسی
