Herramientas computacionales basadas en imagen de ultrasonografía para diagnóstico médico

Abstract

El cáncer es una enfermedad causada por la alteración de los mecanismos que indican a las células cuándo dividirse, provocando la multiplicación sin control de las células afectadas que invaden localmente y a distancia otros tejidos. Es una enfer-medad que si no es diagnosticada a tiempo suele presentar una tasa de mortalidad muy alta. Cada año, son diagnosticadas de cáncer 12.7 millones de personas en todo el mundo, siendo la tasa de mortalidad de esta enfermedad de 7.6 millones. El correcto diagnóstico de la enfermedad es vital para reducir esta tasa. Ac-tualmente se dispone de varios medios para la detección del cáncer tales como la ecografía, la tomografía computarizada, la resonancia magnética y otros específicos para ciertos tipos de cáncer. La ecografía, por sus características es uno de los más importantes, debido principalmente a que: es un procedimiento no invasivo, casi nun-ca es doloroso, no es costoso, no utiliza radiaciones ionizantes, se pueden observar claramente los tejidos blandos y proporciona una imagen en tiempo real. La presente Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de aplicaciones informáticas y algoritmos que aumenten el potencial de diagnóstico de la técnica de imagen eco-gráfica para diferentes tipos de cáncer, en concreto el cáncer de próstata, de mama y de tiroides. Para ello, con la ayuda de médicos especialistas en cada rama, se han identificado las mejoras a aplicar en las técnicas de diagnóstico. Las aplicaciones y algoritmos desarrollados, así como sus resultados, se recopilan en tres publicaciones, dos de ellas incluidas en el Journal Citation Reports (JCR). En el primero de los artículos, iProstate, a mathematical predictive model-based, 3D-rendering tool to visualize the location and extent of prostate cancer, se presenta una herramienta software 3D que aplicando algoritmos de predicción, es capaz de predecir la localización y el tamaño de los tumores que haya en la próstata. Esta herramienta también hace posible la visualización de los tumores en una reconstrucción 3D de la próstata del paciente modelada a partir sets de ecografías tomadas con anterioridad. Este trabajo, en principio se desarrolló pensando en su aplicación para ajustar la radicalidad quirúrgica en el cáncer de próstata y disminuir los efectos adversos. Pos-teriormente se comprobó su posible idoneidad en el campo de la terapia focal, lo que permitiría aplicar un tratamiento dirigido sólo al tumor y a un pegueño margen de tejido que lo rodea. La aplicación se encuentra en fase experimental en el Hospital La Fe de Valencia y el Hospital Marqués de Vadecilla en Cantabria. El segundo artículo, Ultrasound based application for intraglandular mapping of breast cancer presenta una aplicación que mejora el proceso de diagnóstico mediante la exploración eco-gráfica radial de mama, al presentar toda la información en una reconstrucción 3D de la mama de la paciente. Esta aplicación con registro de software: 09/2011/1874 ha llegado a ser un producto comercial que está siendo explotado bajo el nombre comercial de Breast Explorer por la EBT. Instead-Technologies S.L.. Por último, el artículo First Steps towards a USE System for Non-invasive Thyroid Exploration presenta una aplicación que haciendo uso de la imagen ecográfica en tiempo real, es capaz de hacer un análisis elastográfico de los tejidos de la glándula tiroides bajo estudio. Este tipo de análisis hace uso de sucesivas imágenes ecográficas capturadas mientras se aplica una presión con la sonda en la zona donde se encuentra el tumor, cualificando mediante algoritmos la dureza de este. Esta aplicación también incluye un sistema experto para ayudar al médico con el diagnóstico de los nódulos. En resumen, se presentan tres aplicaciones informáticas para diagnóstico médi-co cuyo nexo de unión es el uso de información ecográfica y de localización para aumentar las capacidades diagnósticas.

Cancer is a disease caused by the disruption of the mechanisms that tell cells when to divide, causing uncontrolled multiplication of a˙ected cells, that invade neighboring and distant tissues. It is a disease that if not diagnosed early usually has a very high mortality rate. Each year are diagnosed with cancer 12.7 million people worldwide, being the mortality rate of this disease over 7.6 million. The correct diagnosis of the disease is vital to reduce this rate. There are currently various resources for the detection of cancer, being ultrasound one of the most im-portant, mainly because: it is a non-invasive procedure, it is almost never painful, it is inexpensive, uses no ionizing radiation, soft tissues can clearly be observed and provides a real-time image. This Thesis focuses on the development of computer applications and algorithms to enhance the potential of the diagnostic ultrasound imaging technique for di˙erent types of cancer, particularly prostate cancer, breast cancer and thyroid cancer. With the help of specialists in each field, some improvements have been identified to be implemented in diagnostic techniques. The Applications and algorithms developed and their results are reported in th-ree publications, two of them included in the Journal Citation Reports (JCR). In the first article, iProstate, a mathematical predictive model-based 3D-rendering tool to visualize the location and extent of prostate cancer, a 3D software tool is presented, that using prediction algorithms, is able to predict the location and extent of tumors in the prostate. This tool also enables the visualization of tumors in a 3D recons-truction of the prostate of the patient. This reconstruction is made from ultrasound image slices previously taken. This work, was originally developed to adjust the sur-gical radicality in prostate cancer and reduce side e˙ects. Later it has been found its potential suitability in the field of focal therapy, which will allow to implement a targeted therapy for the tumor and its surrounding tissue. The application is in experimental phase in the Hospital La Fe de Valencia and the Marqués de Vadecilla Hospital in Cantabria. The second article, Ultrasound based application for intraglan-dular mapping of breast cancer presents an application that enhances the diagnostic process using radial ultrasound breast examination and presenting information in a 3D reconstruction of the breast of the patient. This application, with software patent number: 09/2011/1874. has become a commercial product being operated under the trade name of Breast Explorer by the EBT. Instead-Technologies S.L. Finally, the article First Steps towards a USE System for Non-invasive Thyroid Exploration pre-sents an application that making use of the ultrasound image in real time, is able to make a elastographic analysis of the tissues of the thyroid gland under study. This application also includes an expert system to help the doctor with the diagnosis of the nodules. Summarizing, three medical diagnostic computer applications are presented, who-se link is the use of ultrasound and location information to enhance the diagnostic capabilities.