Nye modeller av tykktarmen i 3D kan avdekke sykdommer raskere
Kun ved hjelp av ett enkelt bilde fra et pillekamera har forskere lyktes i å lage en tredimensjonal modell av tykktarmen. Den nye metoden gir mye bedre bilder, og kan hjelpe spesialistene til å oppdage sykdom raskere.
– Arbeidet vårt viser at det er mulig å finne en nokså nøyaktig tredimensjonal (3D) modell av enkeltpasienters tykktarm basert på kun ett bilde fra et pillekamera. Det gjelder også selv om bildet har lav kvalitet.
Det forteller forsker Pål Anders Floor ved Institutt for datateknologi og informatikk på NTNU.
Mål: Bedre bilder, raskere diagnoser
Pål Anders Floor. Foto: NTNU
Han har i flere år jobbet for å bruke bilder fra såkalte pillekameraer til å rekonstruere en tilnærmet identisk, 3D-modell av tarmen. Pillekameraene ble tatt i bruk for over 20 år siden, men lav kvalitet og visuell støy i bildene har bremset den i utgangspunktet smarte teknologien i å ta av. Den nye studien, «Single-Image-Based 3D Reconstruction of Endoscopic Images» ble nylig publisert i Journal of Imaging. Dette er en del av doktorgradsarbeidet til Bilal Ahmad, som Floor og professor Ivar Farup har vært veiledere for.
Det overordnede målet for denne forskningen er å forbedre bildene spesialistene trenger for å oppdage avvik i mage- og tarmsystemet til pasientene sine. Da kan de lettere oppdage sykdom og stille diagnoser raskere.Det er viktige steg på veien mot det overordnede målet: Å bekjempe tarmkreft, den nest hyppigste kreftformen i Norge.
En gummitarm, et endoskop og matematikk
Ved hjelp av en kunstig tykktarm, enkelt-bilder tatt av et endoskopEndoskopi er en undersøkelsesmetode der man fører et rør med elektrisk lys og speil (endoskop) inn i et av kroppens hulorganer, slik at det kan undersøkes innvendig, og en spesiell algoritme, har NTNU-forskerne klart å rekonstruere en tredimensjonal tarm-modell. Endoskopet gjør samme jobb som pillekameraet. Med noen viktige forskjeller: Bildene har høyere oppløsning, og lysstyrken på kameraet kan justeres manuelt.
Test-oppsettet med endoskop, kunstig tykktarm og bilder overført til pc. Foto: Bilal Ahmad, NTNU
AlgoritmenEn algoritme er enkelt forklart, en oppskrift. Det er en steg-for-steg-plan for å få noe gjort. I matematikk og databehandling er det en fullstendig og nøyaktig beskrivelse av fremgangsmåten for å løse en beregningsoppgave eller annen oppgave forskerne har brukt, er en såkalt Shape from shading-algoritme (SFS). Dette er en matematisk modell som kan brukes til å rekonstruere en tredimensjonal form ved hjelp av ett enkelt, todimensjonalt bilde.
Tro tarm-kopi gjenskapt på PC
Hvis algoritmer fores med bilder som er grumsete, eller har fargeforstyrrelser, vil feilene forplante seg til 3D-modellen.
– Vi viser at ved møysommelig kalibreringKalibrering er en sammenligning av et instrument mot en normal, mot et mer nøyaktig instrument eller mot et referansemateriale. Hensikten er å finne ut om instrumentet avviker fra korrekt verdi. For eksempel kan en vekt kalibreres for å finne ut om den viser korrekt masse for en gjenstand med kjent masse (Store norske leksikon) og behandling av bildene på forhånd, så kan vi få fram en god 3D-modell basert på bare ett bilde. Og det gjelder selv om dette bildet i utgangspunktet er fullt av støy og visuell forvrengning, forklarer Floor.
Stor nytte for legene
Floor og forskerkollegene hans har også jobbet med å utvikle 3D-modeller basert på sekvenser med flere bilder fra pillekameraer. Da kan en gjenskape lengre deler av tykktarmen. Modellene skal gjøre det mulig å finne ut nøyaktig hvor i tarmen det er avvik og tegn til sykdom.
Les mer: Fremtidens pillekamera: Gjengir tarmen i 3D og oppdager sykdom selv
– Vi har tidligere vist at dette er en type modeller som legene finner nyttige å ha ved siden av video fra pillekamera når de vurderer en pasient. Nå har vi vist at vi kan beregne relativt nøyaktige 3D-modeller ved hjelp av reelle bilder og med teknologi som allerede finnes, forklarer Floor.
Bedre, raskere, riktigere
I det nye arbeidet rekonstruerer forskerne tredimensjonale tarmbilder med relativt høy kvalitet, ut fra én nokså dårlig original. Den samlede innsatsen deres åpner for å rekonstruere geometrien i en hel tarm. Floor forklarer:
– 3D modellen kan benyttes til å endre lyssettingen i et originalt bilde slik at mørkere områder blir bedre belyst slik at det blir mulig å se mer detaljer.
Øverst: Tre originale bilder fra den kunstige tykktarmen, tatt med endoskop. I midten: Originalene etter fargekorrigering og lysjustering som gjør det mulig å se langt flere detaljer. Nederst: Den rekonstruerte, tredimensjonale modellen som er basert på de tre originalene. Bilder: Bilal Ahmad, NTNU.
Vi har alle en tykktarm, men anatomien og geometrien i din tarm er sannsynligvis nokså forskjellig fra naboens. Nye 3D-modeller kan tilpasses hver enkelt pasient. De lar spesialistene undersøke fordøyelseskanalen fra ulike vinkler på pc-en, og gjør det mulig å planlegge bedre og bestemme nøyaktig hvor et inngrep skal skje. Legene kan også øve i forkant av spesielt vanskelige inngrep. Slik kan også risikoen minske for at noe går galt, ifølge Floor.
Ett steg videre på veien
Det store spørsmålet er om de nye metodene kan bety gjennombrudd i kampen mot tarmkreft.
– Det er nok for tidlig å konkludere med det. Først må vi raffinere det vi har utviklet, og gjøre flere undersøkelser. Det kan ta ganske mye tid før en oppnår resultater som er statistisk gyldige.
Uten legenes tilbakemelding jobber vi på en måte i blinde
Topper kreftstatistikken
Tall fra Kreftregisteret viser at Norge ligger i verdenstoppen på forekomst og dødelighet av tarmkreft. Det er den nest hyppigste kreftformen, og 4 912 personer her i landet fikk kreft i tykk- eller endetarmen i 2023.
Forventningene til de første pillekameraene, på engelsk Wireless capsule endoscopy (WCE), var høye. De små kapslene kunne erstatte tradisjonell koloskopi og gastroskopi, men en del opplever slike undersøkelser så smertefulle at de vegrer seg for å ta dem.
Kamera i kapsel
Pillekamera. Foto: Pål Oppegard-Herje
Pillekameraene derimot, kan kartlegge alle kriker og kroker av tarmen, nesten umerkelig og smertefritt mens pasienten går tur eller sitter i et møte. I det han eller hun svelger, starter kapselen med kameraet på en møysommelig ferd gjennom fordøyelseskanalen. Reisen kan ta mange timer, og underveis sender det fra seg titusenvis av bilder. Genialt nok, men nyvinningen fungerer ikke like bra for hele fordøyelseskanalen. Pillekameraet er det beste alternativet for screening av tynntarm. For tykktarmen er det fortsatt en vei å gå før det kan erstatte et koloskop.
Noe av forklaringen er at det tar mye tid å gå gjennom og analysere så enorme datamengder. Muligheten for å overse sykdom er også høyst til stede. Kapselen følger tarmens bevegelser. Det går i rykk og napp. Det kan skje at kameraet plutselig fyker forbi en polypp. Utvekster på slimhinnene i tarmen som i utgangspunktet er ufarlige, men som over tid kan utvikle seg til kreftsvulster.
Mister viktige detaljer
Det kan altså skje at det kun blir tatt ett enkelt bilde av ett, kritisk sykdomssted. Belysningen der inne i tarmen er dessuten nokså ujevn. Det syder og bobler. Bildene har dårlig oppløsning, og det er ingen garanti for at kanskje det ene, viktige bildet, er skarpt og klart.
Det er her viktigheten av å kunne rekonstruere en tredimensjonal modell basert på kun ett bilde, slik Floor og kollegene nå har gjort, ligger. De nye 3D-modellene vil kunne bidra til mer nøyaktige, mindre krevende mage-tarm-undersøkelser, og i sin tur – bedre behandling.
Kan brukes på mange områder
Pål Anders Floor og kollegene kommer med flere anbefalinger for hvordan designet av teknologien kan forbedres for å få enda bedre kvalitet på bildene. De mener også at teknikken fint vil kunne brukes på andre områder der det er behov for å rekonstruere tredimensjonale former og fremstillinger ut fra bilder.
– Mulighetene spenner fra kulturarv til robotikk, medisinsk diagnostikk og andre ting, heter det i studien.
Forskningen inngår i arbeidspakke 2 i Forskningsrådets prosjekt «Improved Pathology Detection in Wireless Capsule Endoscopy Images through Artificial Intelligence and 3D Reconstruction (CAPSULE). Floor sier samarbeidet med gastroenterolog Øistein Hovde og Sykehuset Innlandet på Gjøvik, har vært avgjørende for fremgangen i prosjektet. Spesialistene der har hatt avgjørende betydning for valg av metodikk og evaluering av modellene underveis.
– Uten legenes tilbakemelding jobber vi på en måte i blinde, sier Floor.
Referanse:
Bilal Ahmad, Pål Anders Floor, Ivar Farup, Casper Find Andersen Single-Image-Based 3D Reconstruction of Endoscopic Images Journal of Imaging DOI: https://doi.org/10.3390/jimaging10040082
