Skip to main content
SUPERVISOR
مهدی کرمی نوگورانی (استاد مشاور) عباس سامانی (استاد راهنما) رسول امیر فتاحی ورنوسفادرانی (استاد مشاور) محمدرضا احمدزاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hadi Moghadas Dastjerdi
هادی مقدس دستجردی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389

TITLE

Lung’s Air Volume Estimation in COPD Patients Using Segmentation of 3D CT Images
Lung air estimation using non-invasive techniques can be used for assessment of the lung function and effective diagnosis of lung disease (e.g. chronic obstructive pulmonary disease). A novel technique is proposed to automatically estimate the lung air volume and its variations throughout respiration cycle using 4D thoracic CT images. The technique is based on an advanced thresholding method which benefits from parenchyma tissue mechanical properties in addition to the lung image data over the respiration cycle to determine the segmentation threshold values. The technique was applied to CT scans of ex vivo porcine lung and to lung images of COPD patients. Results indicate that the air volume estimated using the proposed method is significantly more accurate when AVPCs are used in the air volume estimation as mean errors of only 1% and less than 6.86% were obtained in the ex vivo lung and patient studies, respectively. Furthermore, a novel expert system technique is proposed to accurately assess COPD severity characterized by its stage through processing the patient’s thoracic CT images. The technique inputs thoracic CT images to automatically extract 23 features of air volume variation and distribution within the lung over respiration cycle. Relationships between features and pulmonary function test (PFT) measurements were developed which indicated strong correlation. Results obtained in this investigation showed an overall accuracy of over 84% which demonstrates its effectiveness in determining COPD stage merely based on CT images and without using PFT measurements. The performance characteristics of the proposed method, including being completely images based, fully automatic combined with its demonstrated high accuracy makes it a strong candidate to complement/replace pulmonary function diagnostic tests that involve experimental measurement of function parameters. Key Words Air Volume Estimation, 3D CT Images, Segmentation, Lung, Partial Volume Effect, COPD
اندازه‌گیری حجم هوای ریه یکی از مهم‌ترین آزمون‌های کلینیکی برای ارزیابی عملکرد ریه است. استفاده از پردازش تصویر برای ارزیابی سلامت ریه، به‌ویژه در مورد بیمارانی که قادر به انجام سایر روش‌ها نیستند، از اهمیت بسیاری برخوردار بوده و اطلاعات ارزشمندی را به دست می‌دهد. یکی از راهکارهای تخمین حجم‌های ریوی بخش‌بندی تصاویر CT است. الگوریتم بخش‌بندی مبتنی بر آستانه‌گذاری بهینه پیشنهادشده برای تخمین حجم هوای درون ریه، از تصاویر CT ثبت‌شده در انتهای دم و بازدم به‌منظور تعیین مقادیر آستانه بهره می‌برد. انتخاب این مقادیر آستانه بر اساس مباحث بیوفیزیک بافت ریه انجام می‌شود. در این الگوریتم سه حجم مختلف هوای پس‌زمینه، هوای درون ریه و بافت نرم در نظر گرفته می‌شود. ایده اصلی آن است که این سه حجم در تصاویر متوالی ثبت‌شده در چرخه تنفس از نظر شکل و اندازه متفاوت هستند. بر این اساس، یک مسئله بهینه‌سازی برای یافتن مقادیر آستانه بهینه چنان تشکیل می‌گردد تا تابع هزینه‌ای که بر مبنای اصول تراکم ناپذیری بافت و ثبات جرم هوا تعریف شده است را بر روی چرخه تنفس کمینه کند. در حالت کلی، روشنایی هر یک از وکسل‌های تصاویر CT سه‌بعدی ریه برآیندی از روشنایی متناسب با ترکیب بافت و هوای درون وکسل است. درنتیجه، پس از تعیین مقادیر آستانه بهینه از حل مسئله بهینه‌سازی، در الگوریتم پیشنهادشده میزان حجم جزئی بافت موجود در وکسل‌های متناظر با هوای درون ریه محاسبه شده و خطای ناشی از آن جبران می‌گردد. همچنین یک روش ‌ویژه بخش‌بندی برای تعیین محدوده آناتومیک ریه ارائه شده است که به‌منظور حذف وکسل‌های دارای روشنایی مشابه هوای درون ریه که خارج از محدوده ریه قرار گرفته‌اند، بکار گرفته شده است. در این روش از مشخصات آناتومیک ریه به‌منظور طراحی یک الگوریتم خودکار با حداقل پیچیدگی و حداکثر کارایی ممکن استفاده شده است. نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش برون‌تنی انجام شده بر روی ریه خوک با حجم هوای کنترل‌شده و مشخص، نشان‌دهنده دقت بالای الگوریتم پیشنهادشده در تخمین حجم هوای ریه است. همچنین عملکرد این روش بر روی تصاویر مربوط به بیماران COPD نیز بررسی شده که نشان‌دهنده دقت بالا در تخمین حجم هوا و تعیین نحوه توزیع آن در فضای داخلی ریه است. میانگین خطای حجم‌های هوای اندازه‌گیری شده به ترتیب 09/6 و 86/6 برای حجم‌های هوای دم و بازدم هستند. همچنین، از نتایج این روش برای استخراج ویژگی و دسته‌بندی خودکار به منظور تشخیص و تعیین میزان شدت بیماری COPD استفاده شده است. روش پیشنهاد شده قادر است کلاس‌های‌ مختلف سالم تا COPD شدید را با دقت 18/84 تشخیص دهد. علاوه بر آن، با استفاده از روش ارائه شده برای تعیین هوای موجود در هر وکسل نقشه توزیع هوای تصاویر دم و بازدم استخراج شده است. همچنین با به‌کارگیری اطلاعات نحوه توزیع هوا در ریه به همراه استفاده از یک روش انطباق تصاویر، نقشه تهویه هوای ریه نیز استخراج شده است. نقشه تهویه به‌دست‌آمده می‌تواند میزان مشارکت مؤثر هر ناحیه از ریه در تهویه هوا طی دم و بازدم را به عنوان یک ابزار کمک‌تشخیص مشخص کند. واژه ‌ های کلیدی: 1- تخمین حجم هوا، 2- تصاویرCT سه‌بعدی، 3- بخش‌بندی، 4- ریه، 5- اثر حجم جزئی، 6- COPD .

ارتقاء امنیت وب با وف بومی

33%