A histopatologia é considerada um dos recursos diagnósticos mais importantes na prática médica e caracteriza-se pelo estudo das alterações estruturais e morfológicas das células e dos tecidos causadas por doenças. Atualmente, o principal método utilizado no diagnóstico histopatológico de imagens microscópicas, obtidas por meio de amostras em exames convencionais, é a avaliação visual do patologista, a qual se baseia na experiência do mesmo. O uso de técnicas de processamento computacional de imagens possibilita a identificação de elementos estruturais e a determinação de características inerentes, subsidiando o estudo da organização estrutural das células e de suas variações patológicas. A utilização de métodos computacionais no auxílio ao diagnóstico visa diminuir a subjetividade do processo de avaliação e classificação realizado pelo médico. Diferentes características dos tecidos podem ser mapeadas por meio de métricas específicas que poderão ser utilizadas em sistemas de reconhecimento de padrões. Dentro desta perspectiva, o objetivo geral deste trabalho inclui a proposta, a implementação e a avaliação de um método para a identificação e a análise de estruturas histológicas, a ser utilizado para a análise de lesões neoplásicas do colo do útero (NICs) a partir de amostras histopatológicas. Este trabalho foi desenvolvido em colaboração com uma equipe de patologistas, especialistas do domínio. As imagens microscópicas digitalizadas foram adquiridas a partir de lâminas previamente fixadas, contendo amostras de biópsias. Para segmentação dos núcleos celulares, foi implementado um pipeline de operadores morfológicos. Métodos de segmentação baseados em cor também foram testados e comparados à abordagem morfológica. Foi proposta e implementada uma abordagem baseada em camadas para representação do tecido, adotando-se a Triangulação de Delaunay (TD) como modelo de grafo de vizinhança. A TD apresenta algumas propriedades particulares que permitem a extração de métricas específicas. Foram utilizados algoritmos de agrupamento e morfologia de grafos, adotando-se critérios de semelhança e relações de adjacência entre os triângulos da rede, a fim de se obter a fronteira entre as camadas histológicas do tecido epitelial de forma automática. As seguintes métricas foram extraídas dos agrupamentos resultantes: grau médio, entropia e taxa de ocupação dos triângulos da rede. Finalmente, foi projetado um classificador estatístico levando-se em consideração os diferentes agrupamentos que poderiam ser obtidos a partir das imagens de treinamento. Valores de acurácia, sensitividade e especificidade foram utilizadas para avaliação dos resultados obtidos. Foi implementada validação cruzada em todos os experimentos realizados e foi utilizado um total de 116 imagens. Primeiro, foi avaliado a acurácia da metodologia proposta na determinação correta da presença de anomalia no tecido, para isto, todas as imagens que apresentavam NICs foram agrupadas em uma mesma classe. A maior taxa de acurácia obtida neste experimento foi de 88%. Em uma segunda etapa, foram realizadas avaliações entre as seguintes classes: Normal e NIC-I; NIC-I e NIC-II, e, NIC-II e NIC-III, obtendo-se taxas de acurácia máximas de 73%, 77% e 86%, respectivamente. Além disso, foi verificada também, a acurácia na discriminação entre os três tipos de NICs e regiões normais, obtendo-se acurácia de 64%. As taxas de ocupação relativas aos agrupamentos representativos das camadas basais e superficiais, foram os atributos que levaram às maiores taxas de acurácia. Os resultados obtidos permitem verificar a adequação do método proposto na representação e análise do processo de evolução das NICs no tecido epitelial do colo uterino. / Histopathology is considered one of the most important diagnostic tools in medical routine and is characterized by the study of structural and morphological changes of the cells in biological tissues caused by diseases. Currently, the visual assessment of the pathologist is the main method used in the histopathological diagnosis of microscopic images obtained from biopsy samples. This diagnosis is usually based on the experience of the pathologist. The use of computational techniques in the processing of these images allows the identification of structural elements and the determination of inherent characteristics, supporting the study of the structural organization of tissues and their pathological changes. Also, the use of computational methods to improve diagnosis aims to reduce the subjectivity of the evaluation made by the physician. Besides, different tissue characteristics can be mapped through specific metrics that can be used in pattern recognition systems. Within this perspective, the overall objective of this work includes the proposal, the implementation and the evaluation of a methodology for the identification and analysis of histological structures. This methodology includes the specification of a method for the analysis of cervical intraepithelial neoplasias (CINs) from histopathological samples. This work was developed in collaboration with a team of pathologists. Microscopic images were acquired from blades previously stained, containing samples of biopsy examinations. For the segmentation of cell nuclei, a pipeline of morphological operators were implemented. Segmentation techniques based on color were also tested and compared to the morphological approach. For the representation of the tissue architecture an approach based on the tissue layers was proposed and implemented adopting the Delaunay Triangulation (DT) as neighborhood graph. The DT has some special properties that allow the extraction of specific metrics. Clustering algorithms and graph morphology were used in order to automatically obtain the boundary between the histological layers of the epithelial tissue. For this purpose, similarity criteria and adjacency relations between the triangles of the network were explored. The following metrics were extracted from the resulting clusters: mean degree, entropy and the occupation rate of the clusters. Finally, a statistical classifier was designed taking into account the different combinations of clusters that could be obtained from the training process. Values of accuracy, sensitivity and specificity were used to evaluate the results. All the experiments were taken in a cross-validation process (5-fold) and a total of 116 images were used. First, it was evaluated the accuracy in determining the correct presence of abnormalities in the tissue. For this, all images presenting CINs were grouped in the same class. The highest accuracy rate obtained for this evaluation was 88%. In a second step, the discrimination between the following classes were analyzed: Normal/CIN 1; CIN 1/CIN 2, and, CIN 2/CIN 3, which represents the histological grading of the CINs. In a similar way, the highest accuracy rates obtained were 73%, 77% and 86%, respectively. In addition, it was also calculated the accuracy rate in discriminating between the four classes analyzed in this work: the three types of CINs and the normal region. In this last case, it was obtained a rate of 64%.The occupation rate for the basal and superficial layers were the attributes that led to the highest accuracy rates. The results obtained shows the adequacy of the proposed method in the representation and classification of the CINs evolution in the cervical epithelial tissue.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-24012012-154506 |
| Date | 24 November 2011 |
| Creators | Miranda, Gisele Helena Barboni |
| Contributors | Felipe, Joaquim Cezar |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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