Εντοπισμός και ιχνηλάτηση ιατρικών εργαλείων σε ενδοσκοπικό βίντεο

Abstract

Τα τελευταία χρόνια έχει σημειωθεί μεγάλη πρόοδος στις διαγνωστικές και επεμβατικές ιατρικές πράξεις που βασίζονται στην ενδοσκόπηση. Τέτοιες επεμβάσεις εκτείνονται από αρθροσκοπήσεις σε λαπαροσκοπήσεις και ρινοσκοπήσεις. Ως φυσικό επακόλουθο, η ερευνητική κοινότητα έχει στρέψει το ενδιαφέρον της σε μια σειρά ζητημάτων που άπτονται της επεξεργασίας και ανάλυσης του σήματος βίντεο που παράγει η ενδοσκοπική κάμερα. Τέτοιες προσπάθειες έχουν ενσωματωθεί και βρίσκουν εφαρμογή σε συστήματα υποβοηθούμενης διάγνωσης, προεγχειρητικού προγραμματισμού, καθώς και ιατρικής καθοδήγησης πριν, κατά τη διάρκεια, αλλά και κατά την μεταγενέστερη αξιολόγηση ενδοσκοπικών επεμβάσεων. Η παρούσα εργασία ασχολείται με τον εντοπισμό και την ιχνηλάτηση ιατρικών εργαλείων σε ενδοσκοπικό βίντεο. Ως προς την κλινική αξιοποίηση, ο πρωταρχικός στόχος εστιάζεται στην αξιολόγηση της ποιότητας της ενδοσκοπικής επέμβασης και κατ' επέκταση του ιατρικού προσωπικού δια μέσου της συνοπτικής παρουσίασης του βίντεο της επέμβασης (video summarization). Ως δευτερεύων στόχος, η αξιοποίηση των προτεινόμενων μεθόδων ως εργαλείο σε συστήματα προεγχειρητικού προγραμματισμού ή/και εκπαίδευση, παρέχοντας τη βάση στους αλγορίθμους οπτικοποίησης που ακολουθούν. Η συνεισφορά της παρούσης εργασίας εδράζεται στη συνδυαστική χρησιμοποίηση τόσο (α) των χρωματικών χαρακτηριστικών των εικονοστοιχείων του βίντεο, όσο και (β) της ανάλυσης των προτύπων κίνησης των ιατρικών εργαλείων. Ειδικότερα, στην πρώτη περίπτωση εξετάζονται και υλοποιούνται δύο μέθοδοι που βασίζονται στην χρωματική απεικόνιση των ιατρικών εργαλείων για τον εντοπισμό και διαχωρισμό τους από την υπόλοιπη εικόνα. Πιο συγκεκριμένα, η πρώτη μέθοδος αφορά την εξαγωγή χρωματικών τιμών από αρχεία μη αυτόματης (χειροκίνητης) αναγνώρισης και τμηματοποίησης των υπό εξέταση ιατρικών εργαλείων (manual segmentation). Από την άλλη, η δεύτερη μέθοδος βασίζεται στην κατηγοριοποίηση των χρωματικών αποχρώσεων που εμφανίζονται στην εικόνα (ανάλογα με τη συχνότητα εμφάνισης) χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο k-means, και την αντιπαραβολή τους με τα χρώματα των ιατρικών εργαλείων. Η συγκεκριμένη μέθοδος, πέραν του γεγονότος ότι επιτυγχάνει τα καλύτερα αποτελέσματα όπως διαφάνηκε μέσα από την πειραματική αξιολόγηση, δεν απαιτεί οποιαδήποτε εκ των προτέρων επεξεργασία. Σε συνδυασμό με επιπλέον τεχνικές μορφολογικών μετασχηματισμών και ανάλυσης κίνησης επιτυγχάνεται ο εντοπισμός και η ιχνηλάτηση των ιατρικών εργαλείων που εμφανίζονται στο βίντεο σε πολύ ικανοποιητικό βαθμό.