El objetivo principal de la MIC es extraer información o conocimiento clínicamente relevante de las imágenes médicas. Si bien está estrechamente relacionada con el campo de la imagenología médica , la MIC se centra en el análisis computacional de las imágenes, no en su adquisición. Los métodos se pueden agrupar en varias categorías amplias: segmentación de imágenes , registro de imágenes, modelado fisiológico basado en imágenes y otros. [1]
Formularios de datos
La computación de imágenes médicas generalmente opera sobre datos muestreados uniformemente con espaciado espacial xyz regular (imágenes en 2D y volúmenes en 3D, genéricamente denominados imágenes). En cada punto de muestra, los datos se representan comúnmente en forma integral , como corto con signo y sin signo (16 bits), aunque las formas desde unsigned char (8 bits) hasta float de 32 bits no son infrecuentes. El significado particular de los datos en el punto de muestra depende de la modalidad: por ejemplo, una adquisición de TC recopila valores de radiodensidad, mientras que una adquisición de MRI puede recopilar imágenes ponderadas en T1 o T2 . Las adquisiciones longitudinales, variables en el tiempo, pueden o no adquirir imágenes con pasos de tiempo regulares. Las imágenes en abanico debido a modalidades como la ecografía de matriz curva también son comunes y requieren diferentes técnicas de representación y algorítmicas para procesarlas. Otras formas de datos incluyen imágenes recortadas debido a la inclinación del pórtico durante la adquisición; y mallas no estructuradas , como las formas hexaédricas y tetraédricas, que se utilizan en análisis biomecánicos avanzados (por ejemplo, deformación de tejidos, transporte vascular, implantes óseos).
Segmentación
La segmentación es el proceso de dividir una imagen en diferentes segmentos significativos. En las imágenes médicas, estos segmentos a menudo corresponden a diferentes clases de tejidos, órganos , patologías u otras estructuras biológicamente relevantes. [2] La segmentación de imágenes médicas se dificulta por el bajo contraste, el ruido y otras ambigüedades en las imágenes. Aunque existen muchas técnicas de visión artificial para la segmentación de imágenes , algunas se han adaptado específicamente para la computación de imágenes médicas. A continuación, se muestra una muestra de técnicas dentro de este campo; la implementación depende de la experiencia que puedan proporcionar los médicos.
Segmentación basada en atlas : para muchas aplicaciones, un experto clínico puede etiquetar manualmente varias imágenes; la segmentación de imágenes no vistas es una cuestión de extrapolar a partir de estas imágenes de entrenamiento etiquetadas manualmente. Los métodos de este estilo suelen denominarse métodos de segmentación basados en atlas. Los métodos de atlas paramétricos suelen combinar estas imágenes de entrenamiento en una única imagen de atlas, [3] mientras que los métodos de atlas no paramétricos suelen utilizar todas las imágenes de entrenamiento por separado. [4] Los métodos basados en atlas suelen requerir el uso del registro de imágenes para alinear la imagen o imágenes del atlas con una nueva imagen no vista.
Segmentación basada en la forma : muchos métodos parametrizan una forma de plantilla para una estructura dada, a menudo basándose en puntos de control a lo largo del límite. Luego, se deforma toda la forma para que coincida con una nueva imagen. Dos de las técnicas basadas en la forma más comunes son los modelos de forma activa [5] y los modelos de apariencia activa [6] . Estos métodos han sido muy influyentes y han dado lugar a modelos similares [7] .
Segmentación basada en imágenes : algunos métodos inician una plantilla y refinan su forma de acuerdo con los datos de la imagen mientras minimizan las medidas de error integral, como el modelo de contorno activo y sus variaciones. [8]
Segmentación interactiva : los métodos interactivos son útiles cuando los médicos pueden proporcionar cierta información, como una región de semillas o un esquema aproximado de la región a segmentar. Luego, un algoritmo puede refinar iterativamente dicha segmentación, con o sin la guía del médico. La segmentación manual, que utiliza herramientas como un pincel para definir explícitamente la clase de tejido de cada píxel, sigue siendo el estándar de oro para muchas aplicaciones de imágenes. Recientemente, se han incorporado a la segmentación los principios de la teoría del control de retroalimentación , que le dan al usuario una flexibilidad mucho mayor y permiten la corrección automática de errores. [9]
Segmentación de superficie subjetiva: Este método se basa en la idea de evolución de la función de segmentación que se rige por un modelo de advección-difusión. [10] Para segmentar un objeto, se necesita una semilla de segmentación (que es el punto de partida que determina la posición aproximada del objeto en la imagen). En consecuencia, se construye una función de segmentación inicial. La idea detrás del método de superficie subjetiva [11] [12] [13] es que la posición de la semilla es el factor principal que determina la forma de esta función de segmentación.
Redes neuronales convolucionales (CNN): el rendimiento de la segmentación totalmente automatizada asistida por computadora ha mejorado gracias al avance de los modelos de aprendizaje automático. Los modelos basados en CNN como SegNet, [14] UNet, [15] ResNet, [16] AATSN, [17] Transformers [18] y GAN [19] han acelerado el proceso de segmentación. En el futuro, estos modelos pueden reemplazar la segmentación manual debido a su rendimiento y velocidad superiores.
Sin embargo, existen otras clasificaciones de métodos de segmentación de imágenes que son similares a las categorías anteriores. Además, podemos clasificar otro grupo como "híbrido", que se basa en la combinación de métodos. [20]
Registro
El registro de imágenes es un proceso que busca la alineación correcta de las imágenes. [21] [22] [23] [24] En el caso más simple, se alinean dos imágenes. Normalmente, una imagen se trata como la imagen de destino y la otra como la imagen de origen; la imagen de origen se transforma para que coincida con la imagen de destino. El procedimiento de optimización actualiza la transformación de la imagen de origen en función de un valor de similitud que evalúa la calidad actual de la alineación. Este procedimiento iterativo se repite hasta que se encuentra un óptimo (local). Un ejemplo es el registro de imágenes de TC y PET para combinar información estructural y metabólica (véase la figura).
El registro de imágenes se utiliza en una variedad de aplicaciones médicas:
Estudio de los cambios temporales. Los estudios longitudinales adquieren imágenes a lo largo de varios meses o años para estudiar procesos a largo plazo, como la progresión de una enfermedad. Las series temporales corresponden a imágenes adquiridas en una misma sesión (segundos o minutos). Pueden utilizarse para estudiar procesos cognitivos, deformaciones cardíacas y respiración.
Combinación de información complementaria de diferentes modalidades de imagen . Un ejemplo es la fusión de información anatómica y funcional. Dado que el tamaño y la forma de las estructuras varían según las modalidades, resulta más complicado evaluar la calidad de la alineación. Esto ha llevado al uso de medidas de similitud como la información mutua . [25]
Caracterización de una población de sujetos. A diferencia del registro intra-sujeto, puede que no exista un mapeo uno a uno entre sujetos, dependiendo de la variabilidad estructural del órgano de interés. El registro inter-sujeto es necesario para la construcción de atlas en anatomía computacional . [26] Aquí, el objetivo es modelar estadísticamente la anatomía de órganos entre sujetos.
Cirugía asistida por ordenador . En la cirugía asistida por ordenador, las imágenes preoperatorias, como la tomografía computarizada o la resonancia magnética, se registran en imágenes intraoperatorias o sistemas de seguimiento para facilitar la guía o navegación por las imágenes.
Hay varias consideraciones importantes al realizar el registro de imágenes:
El modelo de transformación . Las opciones más comunes son los modelos de transformación rígidos , afines y deformables . Los modelos B-spline y de spline de placa delgada se utilizan comúnmente para campos de transformación parametrizados. Los campos de deformación no paramétricos o densos tienen un vector de desplazamiento en cada ubicación de la cuadrícula; esto requiere restricciones de regularización adicionales . Una clase específica de campos de deformación son los difeomorfismos , que son transformaciones invertibles con una inversa suave.
Métrica de similitud. Se utiliza una función de distancia o similitud para cuantificar la calidad del registro. Esta similitud se puede calcular sobre las imágenes originales o sobre características extraídas de las imágenes. Las medidas de similitud habituales son la suma de distancias al cuadrado (SSD), el coeficiente de correlación y la información mutua . La elección de la medida de similitud depende de si las imágenes son de la misma modalidad; el ruido de adquisición también puede influir en esta decisión. Por ejemplo, SSD es la medida de similitud óptima para imágenes de la misma modalidad con ruido gaussiano . [27] Sin embargo, las estadísticas de imagen en ultrasonido son significativamente diferentes del ruido gaussiano, lo que lleva a la introducción de medidas de similitud específicas de ultrasonido. [28] El registro multimodal requiere una medida de similitud más sofisticada; como alternativa, se puede utilizar una representación de imagen diferente, como representaciones estructurales [29] o el registro de la anatomía adyacente. [30] [31] Un estudio reciente [32] empleó una codificación contrastiva para aprender representaciones de imágenes densas y compartidas, denominadas CoMIR (Contrastive Multi-modal Image Representations), que permitieron el registro de imágenes multimodales en los casos en que los métodos de registro existentes suelen fallar debido a la falta de estructuras de imágenes suficientemente similares. Redujo el problema del registro multimodal a uno monomodal, en el que se pueden aplicar algoritmos de registro generales basados en la intensidad y en las características.
La visualización desempeña varias funciones clave en la computación de imágenes médicas. Los métodos de visualización científica se utilizan para comprender y comunicar imágenes médicas, que son inherentemente espacio-temporales. La visualización y el análisis de datos se utilizan en formatos de datos no estructurados , por ejemplo, al evaluar medidas estadísticas derivadas durante el procesamiento algorítmico. La interacción directa con los datos, una característica clave del proceso de visualización, se utiliza para realizar consultas visuales sobre los datos, anotar imágenes, guiar los procesos de segmentación y registro y controlar la representación visual de los datos (controlando las propiedades de reproducción de la iluminación y los parámetros de visualización). La visualización se utiliza tanto para la exploración inicial como para transmitir los resultados intermedios y finales de los análisis.
La figura "Visualización de imágenes médicas" ilustra varios tipos de visualización: 1. la visualización de secciones transversales como imágenes en escala de grises; 2. vistas reformateadas de imágenes en escala de grises (la vista sagital en este ejemplo tiene una orientación diferente a la dirección original de la adquisición de la imagen; y 3. una representación de volumen 3D de los mismos datos. La lesión nodular es claramente visible en las diferentes presentaciones y ha sido anotada con una línea blanca.
Atlas
Las imágenes médicas pueden variar significativamente de una persona a otra debido a que cada una tiene órganos de diferentes formas y tamaños. Por lo tanto, es fundamental representar las imágenes médicas para tener en cuenta esta variabilidad. Un enfoque popular para representar imágenes médicas es mediante el uso de uno o más atlas. En este caso, un atlas se refiere a un modelo específico para una población de imágenes con parámetros que se aprenden a partir de un conjunto de datos de entrenamiento. [33] [34]
El ejemplo más simple de un atlas es una imagen de intensidad media, comúnmente denominada plantilla. Sin embargo, un atlas también puede incluir información más completa, como estadísticas de imágenes locales y la probabilidad de que una ubicación espacial particular tenga una etiqueta determinada. Las imágenes médicas nuevas, que no se utilizan durante el entrenamiento, se pueden mapear a un atlas, que se ha adaptado a la aplicación específica, como la segmentación y el análisis de grupos. Mapear una imagen a un atlas generalmente implica registrar la imagen y el atlas. Esta deformación se puede utilizar para abordar la variabilidad en las imágenes médicas.
Plantilla única
El enfoque más simple es modelar imágenes médicas como versiones deformadas de una única imagen de plantilla. Por ejemplo, las imágenes de resonancia magnética cerebral anatómicas a menudo se asignan a la plantilla MNI [35] para representar todas las imágenes de resonancia magnética cerebral en coordenadas comunes. El principal inconveniente de un enfoque de plantilla única es que si hay diferencias significativas entre la plantilla y una imagen de prueba dada, entonces puede que no haya una buena manera de asignar una a la otra. Por ejemplo, una imagen de resonancia magnética cerebral anatómica de un paciente con anomalías cerebrales graves (es decir, un tumor o un procedimiento quirúrgico), puede no asignarse fácilmente a la plantilla MNI.
Varias plantillas
En lugar de depender de una única plantilla, se pueden utilizar varias plantillas. La idea es representar una imagen como una versión deformada de una de las plantillas. Por ejemplo, podría haber una plantilla para una población sana y una plantilla para una población enferma. Sin embargo, en muchas aplicaciones, no está claro cuántas plantillas se necesitan. Una forma sencilla, aunque computacionalmente costosa, de lidiar con esto es hacer que cada imagen en un conjunto de datos de entrenamiento sea una imagen de plantilla y, de esta manera, cada nueva imagen encontrada se compare con cada imagen en el conjunto de datos de entrenamiento. Un enfoque más reciente encuentra automáticamente la cantidad de plantillas necesarias. [36]
Análisis estadístico
Los métodos estadísticos combinan el campo de las imágenes médicas con la visión artificial moderna , el aprendizaje automático y el reconocimiento de patrones . Durante la última década, se han puesto a disposición del público varios conjuntos de datos de gran tamaño (véase, por ejemplo, ADNI, 1000 functional Connectomes Project), en parte debido a la colaboración entre varios institutos y centros de investigación. Este aumento en el tamaño de los datos exige nuevos algoritmos que puedan extraer y detectar cambios sutiles en las imágenes para abordar cuestiones clínicas. Dichas cuestiones clínicas son muy diversas e incluyen análisis de grupos, biomarcadores de imágenes, fenotipado de enfermedades y estudios longitudinales.
Análisis de grupo
En el análisis de grupos, el objetivo es detectar y cuantificar las anomalías inducidas por una enfermedad comparando las imágenes de dos o más cohortes. Por lo general, una de estas cohortes consta de sujetos normales (control) y la otra de pacientes anormales. La variación causada por la enfermedad puede manifestarse como una deformación anormal de la anatomía (consulte Morfometría basada en vóxeles ). Por ejemplo, la contracción de los tejidos subcorticales, como el hipocampo en el cerebro, puede estar relacionada con la enfermedad de Alzheimer . Además, se pueden observar cambios en la actividad bioquímica (funcional) utilizando modalidades de imagen como la tomografía por emisión de positrones .
La comparación entre grupos se realiza generalmente a nivel de vóxel . Por lo tanto, la línea de preprocesamiento más popular, particularmente en neuroimagen , transforma todas las imágenes en un conjunto de datos en un marco de coordenadas común a través del registro de imágenes médicas para mantener la correspondencia entre vóxeles. Dada esta correspondencia vóxel por vóxel, el método frecuentista más común es extraer una estadística para cada vóxel (por ejemplo, la intensidad media del vóxel para cada grupo) y realizar una prueba de hipótesis estadística para evaluar si una hipótesis nula es compatible o no. La hipótesis nula generalmente supone que las dos cohortes se extraen de la misma distribución y, por lo tanto, deben tener las mismas propiedades estadísticas (por ejemplo, los valores medios de dos grupos son iguales para un vóxel en particular). Dado que las imágenes médicas contienen una gran cantidad de vóxeles, es necesario abordar la cuestión de la comparación múltiple . [37] [38] También existen enfoques bayesianos para abordar el problema del análisis de grupos. [39]
Clasificación
Aunque el análisis de grupo puede cuantificar los efectos generales de una patología en una anatomía y función, no proporciona medidas a nivel de sujeto y, por lo tanto, no se puede utilizar como biomarcadores para el diagnóstico (ver Biomarcadores de imágenes). Los médicos, por otro lado, a menudo están interesados en el diagnóstico temprano de la patología (es decir, clasificación, [40] [41] ) y en aprender la progresión de una enfermedad (es decir, regresión [42] ). Desde el punto de vista metodológico, las técnicas actuales varían desde la aplicación de algoritmos de aprendizaje automático estándar a conjuntos de datos de imágenes médicas (por ejemplo, Support Vector Machine [43] ), hasta el desarrollo de nuevos enfoques adaptados a las necesidades del campo. [44] Las principales dificultades son las siguientes:
Tamaño de muestra pequeño ( la maldición de la dimensionalidad ): un gran conjunto de datos de imágenes médicas contiene cientos o miles de imágenes, mientras que la cantidad de vóxeles en una imagen volumétrica típica puede superar fácilmente los millones. Una solución a este problema es reducir la cantidad de características en un sentido informativo (consulte reducción de dimensionalidad ). Se han propuesto varios enfoques no supervisados y semisupervisados [44] [45] [46] [47] para abordar este problema.
Interpretabilidad: Una buena precisión de generalización no siempre es el objetivo principal, ya que a los médicos les gustaría comprender qué partes de la anatomía se ven afectadas por la enfermedad. Por lo tanto, la interpretabilidad de los resultados es muy importante; los métodos que ignoran la estructura de la imagen no son los preferidos. Se han propuesto métodos alternativos basados en la selección de características . [45] [46] [47] [48]
Agrupamiento
Los métodos de clasificación de patrones basados en imágenes suelen suponer que los efectos neurológicos de una enfermedad son distintos y están bien definidos. Puede que no siempre sea así. En el caso de varias enfermedades, las poblaciones de pacientes son muy heterogéneas y no se ha establecido una clasificación más detallada en subcondiciones. Además, algunas enfermedades (por ejemplo, trastorno del espectro autista (TEA), esquizofrenia , deterioro cognitivo leve (DCL)) pueden caracterizarse por un espectro continuo o casi continuo que va desde el deterioro cognitivo leve hasta cambios patológicos muy pronunciados. Para facilitar el análisis basado en imágenes de trastornos heterogéneos, se han desarrollado alternativas metodológicas a la clasificación de patrones. Estas técnicas toman prestadas ideas de la agrupación de alta dimensión [49] y la regresión de patrones de alta dimensión para agrupar una población dada en subpoblaciones homogéneas. El objetivo es proporcionar una mejor comprensión cuantitativa de la enfermedad dentro de cada subpoblación.
Análisis de forma
El análisis de formas es el campo de la computación de imágenes médicas que estudia las propiedades geométricas de las estructuras obtenidas a partir de diferentes modalidades de imágenes . El análisis de formas ha adquirido cada vez más interés en la comunidad médica debido a su potencial para localizar con precisión los cambios morfológicos entre diferentes poblaciones de estructuras, es decir, sanas frente a patológicas, mujeres frente a hombres, jóvenes frente a ancianos. El análisis de formas incluye dos pasos principales: correspondencia de formas y análisis estadístico.
La correspondencia de formas es la metodología que calcula las ubicaciones correspondientes entre formas geométricas representadas por mallas de triángulos, contornos, conjuntos de puntos o imágenes volumétricas. Obviamente, la definición de correspondencia influirá directamente en el análisis. Entre las diferentes opciones para los marcos de correspondencia podemos encontrar: correspondencia anatómica, puntos de referencia manuales, correspondencia funcional (es decir, en la morfometría cerebral, el locus responsable de la misma funcionalidad neuronal), correspondencia geométrica, (para volúmenes de imágenes) similitud de intensidad, etc. Algunos enfoques, por ejemplo, el análisis de forma espectral, no requieren correspondencia, sino que comparan descriptores de forma directamente.
El análisis estadístico proporcionará mediciones del cambio estructural en las ubicaciones correspondientes.
Estudios longitudinales
En los estudios longitudinales se toman imágenes de la misma persona repetidamente. Esta información se puede incorporar tanto al análisis de imágenes como al modelado estadístico.
En el procesamiento de imágenes longitudinales, los métodos de segmentación y análisis de puntos temporales individuales se informan y regularizan con información común, generalmente de una plantilla intrasujeto. Esta regularización está diseñada para reducir el ruido de medición y, por lo tanto, ayuda a aumentar la sensibilidad y el poder estadístico. Al mismo tiempo, se debe evitar la sobreregularización, de modo que los tamaños del efecto permanezcan estables. La regularización intensa, por ejemplo, puede generar una excelente confiabilidad de prueba-reprueba, pero limita la capacidad de detectar cambios y diferencias reales entre los grupos. A menudo, se debe buscar un equilibrio que optimice la reducción del ruido a costa de una pérdida limitada del tamaño del efecto. Otro desafío común en el procesamiento de imágenes longitudinales es la introducción, a menudo no intencional, de sesgo de procesamiento. Cuando, por ejemplo, las imágenes de seguimiento se registran y se remuestrean con la imagen de referencia, se introducen artefactos de interpolación solo en las imágenes de seguimiento y no en la de referencia. Estos artefactos pueden causar efectos espurios (generalmente un sesgo hacia la sobreestimación del cambio longitudinal y, por lo tanto, subestimar el tamaño de muestra requerido). Por lo tanto, es esencial que todos los puntos temporales se traten exactamente de la misma manera para evitar cualquier sesgo de procesamiento.
El posprocesamiento y el análisis estadístico de datos longitudinales suelen requerir herramientas estadísticas especializadas, como el análisis de varianza de medidas repetidas o los modelos de efectos mixtos lineales más potentes. Además, resulta ventajoso tener en cuenta la distribución espacial de la señal. Por ejemplo, las mediciones del espesor cortical mostrarán una correlación dentro del sujeto a lo largo del tiempo y también dentro de un vecindario en la superficie cortical, un hecho que se puede utilizar para aumentar la potencia estadística. Además, el análisis del tiempo transcurrido hasta el evento (también conocido como supervivencia) se emplea con frecuencia para analizar datos longitudinales y determinar predictores significativos.
Modelado fisiológico basado en imágenes
Tradicionalmente, la computación de imágenes médicas se ha enfocado en la cuantificación y fusión de información estructural o funcional disponible en el momento de la adquisición de la imagen. En este sentido, puede considerarse como una detección cuantitativa de los procesos anatómicos, físicos o fisiológicos subyacentes. Sin embargo, en los últimos años, ha habido un creciente interés en la evaluación predictiva de la enfermedad o el curso de la terapia. El modelado basado en imágenes, ya sea de naturaleza biomecánica o fisiológica, puede por lo tanto ampliar las posibilidades de la computación de imágenes desde un ángulo descriptivo a uno predictivo.
Según la hoja de ruta de investigación de STEP, [50] [51] el Humano Fisiológico Virtual (VPH) es un marco metodológico y tecnológico que, una vez establecido, permitirá la investigación del cuerpo humano como un sistema complejo único. Subyacente al concepto VPH, la Unión Internacional de Ciencias Fisiológicas (IUPS) ha estado patrocinando el Proyecto Fisioma de la IUPS durante más de una década. [52] [53] Se trata de un esfuerzo de dominio público mundial para proporcionar un marco computacional para comprender la fisiología humana. Su objetivo es desarrollar modelos integradores en todos los niveles de organización biológica, desde los genes hasta los organismos completos a través de redes reguladoras de genes, vías proteínicas, funciones celulares integradoras y relaciones estructura/función de tejidos y órganos completos. Este enfoque tiene como objetivo transformar la práctica actual en medicina y sustenta una nueva era de medicina computacional. [54]
En este contexto, la imagen médica y la computación por imágenes desempeñan un papel cada vez más importante, ya que proporcionan sistemas y métodos para obtener imágenes, cuantificar y fusionar información estructural y funcional sobre el ser humano in vivo. Estas dos amplias áreas de investigación incluyen la transformación de modelos computacionales genéricos para representar sujetos específicos, allanando así el camino para modelos computacionales personalizados. [55] La individualización de modelos computacionales genéricos a través de la imagen se puede realizar en tres direcciones complementarias:
definición del dominio computacional específico del tema (anatomía) y subdominios relacionados (tipos de tejidos);
definición de las condiciones iniciales y límites a partir de imágenes (dinámicas y/o funcionales); y
Caracterización de propiedades estructurales y funcionales de los tejidos.
Además, la obtención de imágenes también desempeña un papel fundamental en la evaluación y validación de dichos modelos, tanto en seres humanos como en modelos animales, y en la aplicación de los modelos en el ámbito clínico con aplicaciones tanto diagnósticas como terapéuticas. En este contexto específico, las imágenes moleculares, biológicas y preclínicas proporcionan datos adicionales y permiten comprender mejor la estructura y la función básicas de las moléculas, las células, los tejidos y los modelos animales, que pueden transferirse a la fisiología humana cuando sea necesario.
Las aplicaciones de los modelos VPH/Physiome basados en imágenes en los ámbitos básico y clínico son amplias. En términos generales, prometen convertirse en nuevas técnicas de obtención de imágenes virtuales . En efecto, se obtendrán imágenes in silico de más parámetros, a menudo no observables, basándose en la integración de imágenes multimodales y mediciones fisiológicas observables, pero a veces dispersas e inconsistentes. Los modelos computacionales servirán para generar una interpretación de las mediciones de una manera que cumpla con las leyes biofísicas, bioquímicas o biológicas subyacentes de los procesos fisiológicos o patofisiológicos bajo investigación. En última instancia, estas herramientas y sistemas de investigación ayudarán a nuestra comprensión de los procesos patológicos, la historia natural de la evolución de las enfermedades y la influencia en el curso de una enfermedad de los procedimientos terapéuticos farmacológicos y/o intervencionistas.
La fertilización cruzada entre la obtención de imágenes y la modelización va más allá de la interpretación de las mediciones de una manera coherente con la fisiología. La modelización específica del paciente basada en imágenes, combinada con modelos de dispositivos médicos y terapias farmacológicas, abre el camino a la obtención de imágenes predictivas mediante las cuales se podrán comprender, planificar y optimizar dichas intervenciones in silico .
Métodos matemáticos en imágenes médicas
Una serie de métodos matemáticos sofisticados han entrado en el campo de las imágenes médicas y ya se han implementado en varios paquetes de software. Estos incluyen enfoques basados en ecuaciones diferenciales parciales (PDE) y flujos impulsados por curvatura para mejora, segmentación y registro. Dado que emplean PDE, los métodos son aptos para la paralelización y la implementación en GPGPU. Varias de estas técnicas se han inspirado en ideas del control óptimo . En consecuencia, muy recientemente las ideas del control se han abierto camino en métodos interactivos, especialmente la segmentación. Además, debido al ruido y la necesidad de técnicas de estimación estadística para imágenes que cambian de forma más dinámica, se han comenzado a utilizar el filtro Kalman [56] y el filtro de partículas . Se puede encontrar un estudio de estos métodos con una extensa lista de referencias en [57] .
Computación específica de la modalidad
Algunas modalidades de obtención de imágenes proporcionan información muy especializada. Las imágenes resultantes no pueden tratarse como imágenes escalares normales y dan lugar a nuevas subáreas de la informática de imágenes médicas. Algunos ejemplos son la resonancia magnética de difusión, la resonancia magnética funcional y otras.
Resonancia magnética de difusión
La resonancia magnética de difusión es una modalidad de imagen por resonancia magnética estructural que permite medir el proceso de difusión de las moléculas. La difusión se mide aplicando un pulso de gradiente a un campo magnético a lo largo de una dirección particular. En una adquisición típica, se utiliza un conjunto de direcciones de gradiente distribuidas uniformemente para crear un conjunto de volúmenes ponderados por difusión. Además, se adquiere un volumen no ponderado bajo el mismo campo magnético sin la aplicación de un pulso de gradiente. Como cada adquisición está asociada a múltiples volúmenes, la resonancia magnética de difusión ha creado una variedad de desafíos únicos en la computación de imágenes médicas.
Estimación de propiedades tisulares locales, como la difusividad;
Estimación de direcciones locales y vías globales de difusión.
El tensor de difusión , [58] una matriz definida positiva simétrica de 3 × 3 , ofrece una solución sencilla para ambos objetivos. Es proporcional a la matriz de covarianza de un perfil de difusión local distribuido normalmente y, por lo tanto, el vector propio dominante de esta matriz es la dirección principal de la difusión local. Debido a la simplicidad de este modelo, se puede encontrar una estimación de máxima verosimilitud del tensor de difusión simplemente resolviendo un sistema de ecuaciones lineales en cada ubicación de forma independiente. Sin embargo, como se supone que el volumen contiene fibras de tejido contiguas, puede ser preferible estimar el volumen de los tensores de difusión en su totalidad imponiendo condiciones de regularidad en el campo subyacente de tensores. [59] Se pueden extraer valores escalares del tensor de difusión, como la anisotropía fraccional , las difusividades media, axial y radial, que miden indirectamente las propiedades del tejido como la desmielinización de las fibras axónicas [60] o la presencia de edema. [61] Los métodos estándar de cálculo de imágenes escalares, como el registro y la segmentación, se pueden aplicar directamente a volúmenes de dichos valores escalares. Sin embargo, para aprovechar al máximo la información del tensor de difusión, estos métodos se han adaptado para tener en cuenta los volúmenes con valores tensoriales al realizar el registro [62] [63] y la segmentación. [64] [65]
Dada la dirección principal de difusión en cada ubicación en el volumen, es posible estimar las vías globales de difusión a través de un proceso conocido como tractografía . [66] Sin embargo, debido a la resolución relativamente baja de la resonancia magnética de difusión , muchas de estas vías pueden cruzarse, besarse o abrirse en abanico en una única ubicación. En esta situación, la única dirección principal del tensor de difusión no es un modelo apropiado para la distribución de difusión local. La solución más común a este problema es estimar múltiples direcciones de difusión local utilizando modelos más complejos. Estos incluyen mezclas de tensores de difusión, [67] imágenes de Q-ball, [68] imágenes de espectro de difusión [69] y funciones de distribución de orientación de fibra, [70] [71] que normalmente requieren adquisición HARDI con una gran cantidad de direcciones de gradiente. Al igual que con el tensor de difusión, los volúmenes valorados con estos modelos complejos requieren un tratamiento especial al aplicar métodos de computación de imágenes, como el registro [72] [73] [74] y la segmentación. [75]
Resonancia magnética funcional
La resonancia magnética funcional (fMRI) es una modalidad de diagnóstico por imágenes médicas que mide indirectamente la actividad neuronal mediante la observación de la hemodinámica local o la señal dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD). Los datos de fMRI ofrecen una variedad de información y se pueden dividir en dos categorías:
La fMRI relacionada con la tarea se adquiere mientras el sujeto realiza una secuencia de condiciones experimentales cronometradas. En los experimentos de diseño de bloques, las condiciones están presentes durante períodos cortos de tiempo (por ejemplo, 10 segundos) y se alternan con períodos de descanso. Los experimentos relacionados con eventos se basan en una secuencia aleatoria de estímulos y utilizan un único punto de tiempo para indicar cada condición. El enfoque estándar para analizar la fMRI relacionada con la tarea es el modelo lineal general (GLM) [76].
La fMRI en estado de reposo se adquiere en ausencia de cualquier tarea experimental. Por lo general, el objetivo es estudiar la estructura de red intrínseca del cerebro. Las observaciones realizadas durante el reposo también se han relacionado con procesos cognitivos específicos, como la codificación o la reflexión. La mayoría de los estudios de fMRI en estado de reposo se centran en las fluctuaciones de baja frecuencia de la señal fMRI (LF-BOLD). Los descubrimientos fundamentales incluyen la red predeterminada [77] ,una parcelación cortical integral [78] y la vinculación de las características de la red con los parámetros de comportamiento.
Existe un amplio conjunto de metodologías que se utilizan para analizar datos de neuroimagen funcional y, a menudo, no hay consenso sobre cuál es el mejor método. En cambio, los investigadores abordan cada problema de forma independiente y seleccionan un modelo o algoritmo adecuado. En este contexto, existe un intercambio relativamente activo entre las comunidades de neurociencia , biología computacional , estadística y aprendizaje automático . Entre los enfoques destacados se incluyen
Enfoques univariados masivos que investigan vóxeles individuales en los datos de imágenes para determinar su relación con la condición del experimento. El enfoque principal es el modelo lineal general (GLM) [76]
Los enfoques basados en clasificadores y multivariados , a menudo denominados análisis de patrones multivóxel o análisis de patrones multivariados, investigan los datos en busca de respuestas globales y potencialmente distribuidas a una condición experimental. Los primeros enfoques utilizaban máquinas de vectores de soporte (SVM) para estudiar las respuestas a los estímulos visuales. [79] Recientemente, se han explorado algoritmos alternativos de reconocimiento de patrones, como el contraste de Gini basado en bosques aleatorios [80] o la regresión dispersa y el aprendizaje de diccionarios [81].
El análisis de la conectividad funcional estudia la estructura de red intrínseca del cerebro, incluidas las interacciones entre regiones. La mayoría de estos estudios se centran en datos del estado de reposo para parcelar el cerebro [78] o para encontrar correlaciones con medidas de comportamiento. [82] Los datos específicos de la tarea se pueden utilizar para estudiar las relaciones causales entre las regiones cerebrales (por ejemplo, mapeo causal dinámico (DCM) [83] ).
Cuando se trabaja con grandes cohortes de sujetos, la normalización (registro) de sujetos individuales en un marco de referencia común es crucial. Existe un conjunto de trabajos y herramientas para realizar la normalización en función de la anatomía ( FSL , FreeSurfer , SPM ). La alineación que tiene en cuenta la variabilidad espacial entre sujetos es una línea de trabajo más reciente. Algunos ejemplos son la alineación de la corteza basada en la correlación de señales fMRI, [84] la alineación basada en la estructura de conectividad funcional global tanto en datos de estado de reposo como de tarea, [85] y la alineación basada en perfiles de activación específicos de estímulos de vóxeles individuales. [86]
Software
El software para el procesamiento de imágenes médicas es una combinación compleja de sistemas que proporcionan E/S, visualización e interacción, interfaz de usuario, gestión de datos y computación. Normalmente, las arquitecturas de sistemas están estructuradas en capas para servir a los desarrolladores de algoritmos, desarrolladores de aplicaciones y usuarios. Las capas inferiores suelen ser bibliotecas o kits de herramientas que proporcionan capacidades computacionales básicas, mientras que las capas superiores son aplicaciones especializadas que abordan problemas médicos, enfermedades o sistemas corporales específicos.
Notas adicionales
La computación de imágenes médicas también está relacionada con el campo de la visión artificial . Una sociedad internacional, la Sociedad MICCAI, representa el campo y organiza una conferencia anual y talleres asociados. Las actas de esta conferencia se publican en la serie Lecture Notes in Computer Science de Springer. [87] En 2000, N. Ayache y J. Duncan analizaron el estado del campo. [88]
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Transacciones IEEE sobre imágenes médicas (IEEE TMI)
Física médica
Journal of Digital Imaging (JDI); la revista oficial de la Sociedad de Informática de Imágenes
Imágenes y gráficos médicos computarizados
Revista de radiología y cirugía asistidas por computadora
Imágenes médicas de BMC
Además, las siguientes revistas publican ocasionalmente artículos que describen métodos y aplicaciones clínicas específicas de la computación de imágenes médicas o de la computación de imágenes médicas de modalidades específicas.
Radiología, la revista oficial de la Sociedad Radiológica de Norteamérica
Neuroimagen
Revista de imágenes por resonancia magnética (JMRI)
Resonancia magnética en medicina (MRM)
Revista de Tomografía Asistida por Computadora (JCAT)