Ανάπτυξη μεθόδου ανάλυσης ιστοπαθολογικής εικόνας για την ποσοτική εκτίμηση των Οιστρογονικών Υποδοχέων σε καρκινώματα μαστού Κωστόπουλος Σ. 1, Καλατζής Ι. 2, Δασκαλάκης Α. 1, Μπουγιούκος Π. 1, Γκλώτσος Δ. 2, Γεωργιάδης Π. 2, Ραβαζούλα Π. 3, Κάβουρας Δ. 2 1 Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής, Σχολή Ιατρικών Επιστημών, Πανεπιστημίου Πατρών 2 Τμήμα Τεχνολογίας Ιατρικών Οργάνων (Τ.Ι.Ο), Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα (T.E.I.) Αθήνας, 3 Τμήμα Παθολογίας, Πανεπιστημιακό Γενικό Νοσοκομείο Πατρών, Ρίο

Καρκίνος του Μαστού Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας, ο Καρκίνος του Μαστού αποτελεί τη συχνότερη κακοήθεια στις γυναίκες. Διάφοροι βιολογικοί δείκτες έχουν προταθεί για τη προγνωστική και προβλεπτική τους αξία στη διαχείριση του καρκίνου του μαστού. Ο δείκτης των οιστρογονικών υποδοχέων (ΟΥ) είναι ένας σημαντικός βιολογικός παράγοντας για την πρόβλεψη της απόκρισης στην ορμονική θεραπεία. Ασθενείς με ΟΥ+ υφίστανται διαφορετική θεραπευτική αντιμετώπιση και μεταχείριση από αυτούς με OY- Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Ιστολογική Εξέταση Η ανοσοϊστοχημεία (IHC) είναι πλέον η μέθοδος επιλογής για την αξιολόγηση του δείκτη. Σύμφωνα με τις οδηγίες της Αμερικανικής Κοινότητας Κλινικής Ογκολογίας (ASCO), o δείκτης ΟΥ θα πρέπει να εκτιμάται ως το εκατοστιαίο ποσοστό των θετικά εκφρασμένων πυρήνων. Η κλινική εκτίμηση του δείκτη των ΟΥ από τον ιστοπαθολόγο βασίζεται στην υποκειμενική αρίθμηση των εκφρασμένων πυρήνων, στο υπό εξέταση δείγμα. Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Αναγκαιότητα  Εξαιτίας της αναπόφευκτης inter και intra-observer μεταβλητότητας της αξιολόγησης, κρίνεται σκόπιμη μια πιο αντικειμενική προσέγγιση για τον ποσοτικό προσδιορισμό των ΟΥ.  Έχουν μελετηθεί και προταθεί διάφορα υπολογιστικά συστήματα ανάλυσης εικόνας για τον ποσοτικό προσδιορισμό των ΟΥ.  Οι προηγούμενες μελέτες εστιάζονται κυρίως στην χρήση εμπορικών εφαρμογών ανάλυσης εικόνας για τον υπολογισμό του δείκτη.  Η μέση οπτική πυκνότητα έχει εξεταστεί ως χαρακτηριστικό διάκρισης μεταξύ των θετικά και αρνητικά εκφρασμένων πυρήνων. Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Σκοπός Είναι η ανάπτυξη και αξιολόγηση μεθοδολογίας ανάλυσης εικόνας μικροσκοπίας για την ποσοτική εκτίμηση του βαθμού θετικότητας των οιστρογονικών υποδοχέων (ΟΥ) σε καρκινώματα μαστού. Ανάπτυξη Το σύστημα συνδυάζει κατάλληλα αλγορίθμους τμηματοποίησης και ταξινόμησης ενσωματώνοντας την πληροφορία των χαρακτηριστικών υφής από τους πυρήνες. Αξιολόγηση Συγκριτική μελέτη της αποδοτικότητας των ταξινομητών k-Nearest Neighbour (kNN), Probabilistic Neural Network (PNN) και Bayesian. Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

 Συγκεντρώθηκε αρχειακό υλικό βιοψιών μαστού, από το τμήμα Παθολογίας του Πανεπιστημιακού Γενικού Νοσοκομείου Πατρών.  Πεπειραμένη ιστοπαθολόγος αξιολόγησε τα δείγματα ως προς την θετικότητα των ΟΥ τους, με ανοσοϊστοχημική μέθοδο σε τομές παραφίνης.  Η διαμινοβενζιδίνη (DAB) χρησιμοποιήθηκε ως χρωμογόνο με αντίχρωση αιματοξυλίνης. Υλικό και Μέθοδοι I Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Υλικό και Μέθοδοι I Η εκτίμηση του δείκτη βασίστηκε σε κλινικό πρωτόκολλο, το οποίο λαμβάνει υπόψη το ποσοστό των θετικά εκφρασμένων πυρήνων στο συνολικό αριθμό των πυρήνων ScoreΠοσοστό θετικότητας ΟΥ % % % % % Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Υλικό και Μέθοδοι IΙ Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Υλικό και Μέθοδοι IΙ ‘blue pixels’‘brown pixels’ Αρχική εικόνα Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Υλικό και Μέθοδοι IΙ Περαιτέρω Επεξεργασία Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Υλικό και Μέθοδοι IΙΙ Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Υλικό και Μέθοδοι IΙΙ Από κάθε τμηματοποιημένο πυρήνα εξήχθησαν χαρακτηρηστικά υφής που συνδύαζαν πληροφορία από: το ιστόγραμμα του πυρήνα τη μήτρα χωρικής συν-εμφάνισης της κλίμακας του γκρι (GLCM) τη μήτρα μήκους διαδρομής (RL) Τελικά, κάθε τμηματοποιημένος πυρήνας αντιπροσωπεύθηκε 18 χαρακτηριστικά. Όλα τα χαρακτηριστικά κανονικοποιήθηκαν σε μηδενική μέση τιμή και μοναδιαία διακύμανση Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Υλικό και Μέθοδοι IΙΙ Περιορισμός του χώρου των χαρακτηριστικών (Wilcoxon test). Αξιολόγηση: Αλγορίθμος εξαντλητικής αναζήτησης και της μεθόδου διαδοχικής παράλειψης ενός προτύπου (Loo). Σύγκριση μεταξύ PΝΝ, kNN και Bayesian ταξινομητή. Η επιλογή του βέλτιστου ταξινομητή βασίστηκε στη συγκριτική αξιολόγηση των μεμονωμένων ταξινομητών (PΝΝ, kNN και Bayesian) με όρους μέγιστης ακρίβειας ταξινόμησης, χρησιμοποιώντας το λιγότερο αριθμό χαρακτηριστικών. Οι τμηματοποιημένοι πυρήνες κάθε περιστατικού ταξινομήθηκαν ως εκφρασμένοι ή μη-εκφρασμένοι. Τελικά, κάθε περιστατικό εκτιμήθηκε και κατηγοριοποιήθηκε ως προς τη θετικότητα των ΟΥ του, με βάση την προαναφερθείσα κλίμακα κατηγοριοποίησης. Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Αποτελέσματα I Εξαντλητική Αναζήτηση Βέλτιστου Συνδυασμού Χαρακτηριστικών Ακρίβεια ταξινόμησης (%) kNNPNNBayesian 1357LinearQuadratic Πίνακας 1: Ακρίβεια ταξινόμησης για διάφορους αριθμούς συνδυασμών χαρακτηριστικών και διαφορετικούς ταξινομητές  Δεν παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά (fcal=0.4118) μεταξύ των αποτελεσμάτων των μέγιστων ακριβειών των ταξινομητών (85.24%-kNN, Pnn, 85,61%- Bayesian).  Ο PNN επιλέχθηκε ως βέλτιστη επιλογή, παρουσιάζοντας τη μέγιστη ακρίβεια ταξινόμησης με το μικρότερο αριθμό χαρακτηριστικών. Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Αποτελέσματα II Δείκτης-ΟΥ Ιστοπαθολόγου Δείκτης-ΟΥ Υπολογιστικού Συστήματος 234 Ακρίβει α % % % Ολική Ακρίβεια 90.6% Πίνακας 2: Συγκριτική αξιολόγηση (του συστήματος έναντι του παθολόγου) στη κατηγοριοποίηση των περιστατικών Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Συμπέρασμα Η προτεινόμενη μέθοδος ανάλυσης εικόνας μικροσκοπίας εμφάνισε υψηλή συμφωνία με τη κλινική αξιολόγηση του ιατρού στην εκτίμηση της θετικότητας του δείκτη ΟΥ σε καρκινικά δείγματα μαστού. Η υφή των πυρήνων παρουσιάστηκε αποδοτική ως χαρακτηριστικό για την ποσοτική αξιολόγηση της θετικότητας των ΟΥ. Ένας κατάλληλος συνδυασμός εδραιωμένων αλγορίθμων εξαγωγής χαρακτηριστικών και αναγνώρισης προτύπων, μπορεί να συμβάλει στην προγνωστική έκβαση σε συνθήκες κλινικής ρουτίνας, ως ένα εργαλείο υποστήριξης απόφασης. Σ. Κωστόπουλος, MEDICEXPO 2008

Αναφορές S. Sunpaweravong and P. Sunpaweravong, "Recent Developments in Critical Genes in the Molecular Biology of Breast Cancer," Asian Journal Of Surgery, vol. 28, pp , L. K. Diaz and N. Sneige, "Estrogen receptor analysis for breast cancer: current issues and keys to increasing testing accuracy," Adv Anat Pathol, vol. 12, pp. 10-9, B. Jasani, A. Douglas-Jones, A. Rhodes, S. Wozniak, P. J. Barrett-Lee, J. Gee, and R. Nicholson, "Measurement of estrogen receptor status by immunocytochemistry in paraffin wax sections," Methods Mol Med, vol. 120, pp , A.A. Thike, M. J. Chng, S. Fook-Chong, and P. H. Tan, "Immunohistochemical expression of hormone receptors in invasive breast carcinoma: correlation of results of H-score with pathological parameters," Pathology, vol. 33, pp. 21-5, L. K. Diaz, A. Sahin, and N. Sneige, "Interobserver agreement for estrogen receptor immunohistochemical analysis in breast cancer: a comparison of manual and computer-assisted scoring methods," Ann Diagn Pathol, vol. 8, pp. 23-7, R. Mofidi, R. Walsh, P. F. Ridgway, T. Crotty, E. W. McDermott, T. V. Keaveny, M. J. Duffy, A. D. Hill, and N. O'Higgins, "Objective measurement of breast cancer oestrogen receptor status through digital image analysis," Eur J Surg Oncol, vol. 29, pp. 20-4, F. Schnorrenberg, C. S. Pattichis, K. C. Kyriacou, and C. N. Schizas, "Computer-Aided Detection Of Breast Cancer Nuclei," IEEE Transactions On Information Technology In Biomedicine, vol. 1, R. Leake, D. Barnes, S. Pinder, I. Ellis, L. Anderson, T. Anderson, R. Adamson, T. Rhodes, K. Miller, and R. Walker, "Immunohistochemical detection of steroid receptors in breast cancer: a working protocol. UK Receptor Group, UK NEQAS, The Scottish Breast Cancer Pathology Group, and The Receptor and Biomarker Study Group of the EORTC," J Clin Pathol, vol. 53, pp , M. Craigie, B. Loader, R. Burrows, and S. Muncer, "Reliability of health information on the Internet: an examination of experts' ratings," J Med Internet Res, vol. 4, pp. e2, 2002.