Desarrollo de técnicas específicas de procesado de imagen para su aplicación a la medida del grosor íntima-media de la arteria carótida sobre imágenes de ultrasonidos

Laburpena

Resumen de la tesis: Las enfermedades cardiovasculares son una de las principales causas de mortalidad del mundo. Tras la mayoría de muertes por enfermedad cardiovascular la principal responsable es la arteriosclerosis. La arteriosclerosis consiste en un engrosamiento progresivo del tejido vascular que reduce la elasticidad de los vasos sanguíneos afectados y puede llegar incluso a obstruirlos. Esta enfermedad se desarrolla en la infancia y adolescencia, pudiendo llegar a pasar desapercibida toda la vida o bien actuando como detonador de otras afecciones más serias, como infartos, derrames cerebrales o isquemias. Por todo ello, la detección precoz de la arteriosclerosis resulta de vital importancia. En la actualidad, se viene usando el grosor íntima-media o IMT de la arteria carótida común como indicador fiable y precoz de la arteriosclerosis. Este indicador mide el grosor entre las capas íntima y media de la carótida común en cortes longitudinales de la arteria en imágenes ecográficas. El uso de los ultrasonidos para extraer esta medida, además de barato, resulta no invasivo para el paciente. Sin embargo, esta modalidad de imagen no está exenta de desventajas, como el elevado nivel de ruido que presenta o la alta dependencia del operador. La medida del IMT se realiza de manera manual sobre imágenes de ultrasonidos. Para ello, un observador experto realiza de una a cinco mediciones manuales del grosor de la arteria, donde cada medición consiste en un par de puntos. La presente Tesis Doctoral pretende realizar una segmentación automática de las paredes de la arteria carótida común, de modo que, en lugar de un conjunto de puntos limitado, se pueda extraer el IMT en toda la longitud de la arteria presente en la ecografía. De forma adicional al IMT, se segmenta también la pared anterior de la arteria, pudiendo así proporcionar no sólo el grosor del vaso, sino también el diámetro del cauce de la arteria. El hecho de que sea una segmentación totalmente automática, evita la interacción con el usuario existente en otros métodos de ayuda a la medida del IMT, a la vez que elimina la subjetividad de la medida. Para llevar a cabo una delineación automática de las paredes arteriales, el método desarrollado se implementa en dos etapas básicas. La primera consiste en la detección automática del lumen o cauce por el que fluye la sangre. En una segunda etapa, tras la detección del lumen, se refina el resultado mediante el uso de contornos activos o snakes. En esta Tesis, se emplean contornos activos implementados en el dominio frecuencial. Esta implementación consigue una importante reducción en el coste computacional respecto a la formulación original. Como función de forma se emplean B-splines cúbicas, que presentan una excelente relación entre rendimiento y tiempo de ejecución. El uso de splines proporciona unos contornos finales suaves, lo que evita la típica rugosidad presente en las imágenes de ultrasonidos. Los resultados tras el algoritmo de contornos activos se validan automáticamente para evitar la inclusión de tramos erróneos en las medidas finales. Estos tramos erróneos están ocasionados, principalmente, por la presencia de huecos en la imagen que dificultan el proceso de segmentación, por no proporcionar ninguna información a la imagen de fuerzas externas. Esta validación de los resultados se basa en dos estrategias: estadística y de intensidad. Combinando ambas estrategias se descartan tramos en los que no haya información o en los que la medida resulte anatómicamente improbable. Se ha llevado a cabo una caracterización de los resultados extensa, empleando cuatro métricas distintas para la evaluación de las distancias entre contornos. Tomando el promedio de cuatro segmentaciones manuales como ground truth, se ha comparado con la segmentación automática calculada por el algoritmo de snakes. Tanto las medidas de IMT y del diámetro del lumen, como las distancias entre trazados manuales y automáticos se han evaluado para las cuatro métricas consideradas. En cada caso, se ha calculado el coeficiente de correlación de Pearson, la distribución del error, así como los diagramas de Bland-Altman. A diferencia de otros métodos, en los que la resolución espacial es la misma para todas las imágenes, la configuración del ecógrafo se ha dejado a criterio de los radiólogos. De esta manera, la resolución espacial varía de una imagen a otra, situándose en un rango de 0,029 mm/píxel a 0,082 mm/píxel. Para las 58 imágenes analizadas, se ha logrado medir el IMT en todas ellas. El error medio midiendo el IMT es comparable e incluso inferior al de otros métodos automáticos. El error de segmentación o la distancia directa entre trazados manuales y automáticos es muy bajo, siendo como máximo de unos 2 píxeles para cualquiera de los tres contornos delineados. Como ayuda a la transferencia de resultados, se ha implementado una interfaz de usuario instalable en cualquier PC que implementa el método desarrollado. Esto facilita su uso por parte de personal médico interesado en evaluar el riesgo cardiovascular, tanto de pacientes concretos como de un conjunto de personas para su posterior análisis. Así pues, el método aquí descrito es útil tanto en la práctica clínica diaria como para la realización de estudios del riesgo cardiovascular en la población general.