Vascular pattern characterization in colonoscopy images

Abstract

El càncer de còlon és el tercer amb més incidència al món i el segon tipus de tumor maligne més comú a Europa. Les tècniques d'exploració directa del còlon han demostrat la seva eficiència en la reducció del nombre de víctimes mortals, permetent la detecció de pòlips en estadis prematurs. Entre les diferents tècniques d'exploració, la colonoscòpia és considerada actualment l'estàndard clínic, tot i que diferents estudis revelen la incidència d'alguns factors en la qualitat de l'exploració. La navegació al llarg del còlon i el recte evidencia una sèrie de reptes per als endoscopistes que provoquen un augment en la taxa d'errors. L'acurada inspecció del còlon ha de ser certificada per tal de minimitzar les possibilitats que alguna lesió no sigui detectada. La inspecció de les imatges de colonoscòpia pot aportar informació crucial per als endoscopistes i donar suport a la navegació durant el procediment.

Els vasos sanguinis i els seus patrons de ramificació poden aportar potencial descriptiu per desenvolupar marcadors biomètrics. Els marcadors anatòmics basats en vasos sanguinis podrien ser utilitzats per identificar escenes en vídeos de colonoscòpia i donar suport per a la navegació generant una seqüència d'imatges ordenades en el recorregut de les seccions del colon. Verificant la presència de contingut vascular a l'escena endoluminal també és possible certificar una acurada inspecció de les mucoses i millorar la localització de pòlips. Considerant els usos potencials de la descripció dels vasos sanguinis, aquesta contribució estudia la caracterització del contingut vascular i l'anàlisi de la capacitat descriptiva dels seus patrons de ramificació.

La caracterització dels vasos sanguinis en imatges de colonoscòpia suposa reptes importants. L'escena endoluminal inclou diferents objectes amb característiques similars, fet que dificulta el desenvolupament de models diferents per a cadascun d'aquests objectes. Per afrontar aquestes dificultats, proposem l'ús dels patrons de ramificació dels vasos sanguinis com a trets a baix nivell per a la descripció de formes. Hem creat dues bases de dades d'imatges que inclouen la segmentació manual dels arbres vasculars, així com la localització manual de dos tipus de punts d'interès: encreuaments i punts finals. Presentem un model per a la caracterització dels punts d'encreuament en patrons binaris. La implementació del model ens permet desenvolupar un mètode de localització de punts d'encreuament. El mètode supera els algorismes existents a la literatura en experiments en dues bases de dades: una de creació pròpia i la base de dades DRIVE, d'imatges de fons d'ull. En el segon cas, hem creat una extensió amb la localització manual dels punts d'encreuament. Pel fet que volem explorar la capacitat descriptiva de patrons vasculars i punts d'encreuament, proposem una aproximació basada en grafs per crear marcadors anatòmics. En el context de la localització de pòlips, establim un nou mètode per inhibir la influència dels vasos sanguinis en l’extracció d'informació de baix nivell. Els resultats mostren que la nostra metodologia disminueix la influència dels vasos sanguinis, augmenta la informació als pòlips i millora els mètodes de localització de pòlips.

Colorectal cancer is the third most common cancer worldwide and the second most common malignant tumor in Europe. Screening tests have shown to be very effective in reducing the amount of deaths since they allow an early detection of polyps. Among the different screening techniques, colonoscopy is considered the gold standard although clinical studies mention several problems that have an impact in the quality of the procedure. The navigation through the rectum and colon track can be challenging for the physicians which can increase polyp miss rates. The thorough visualization of the colon track must be ensured so that the chances of missing lesions are minimized. The visual analysis of colonoscopy images can provide important information to the physicians and support their navigation during the procedure.

Blood vessels and their branching patterns can provide descriptive power to potentially develop biometric markers. Anatomical markers based on blood vessel patterns could be used to identify a particular scene in colonoscopy videos and to support endoscope navigation by generating a sequence of ordered scenes through the different colon sections. By verifying the presence of vascular content in the endoluminal scene it is also possible to certify a proper inspection of the colon mucosa and to improve polyp localization. Considering the potential uses of blood vessel description, this contribution studies the characterization of the vascular content and the analysis of the descriptive power of its branching patterns.

Blood vessel characterization in colonoscopy images is shown to be a challenging task. The endoluminal scene is conformed by several objects whose similar characteristics hinders the development of particular models for each of them. To overcome such difficulties we propose the use of the blood vessel branching characteristics as low-level features for pattern description. We created two data sets including manually labeled vessel information as well as manual ground truths of two types of keypoint landmarks: junctions and endpoints. We present a model to characterize junctions in binary patterns. The implementation of the junction model allows us to develop a junction localization method. The proposed method outperforms the available algorithms in the literature in experiments in both, our newly created colon vessel data set, and in DRIVE retinal fundus image data set. In the latter case, we created manual ground truth of junction coordinates. Since we want to explore the descriptive potential of junctions and vessels, we propose a graph-based approach to create anatomical markers. In the context of polyp localization, we present a new method to inhibit the influence of blood vessels in the extraction of low-level profile information. The results show that our methodology decreases vessel influence, increases polyp information and leads to an improvement in state-of-the-art polyp localization performance.