Durch die Überarbeitung einer ursprünglich zur Überwachung der Erdkruste entwickelten Software haben Forscher eine Software entwickelt, die Röntgenbilder in CT-Scans umwandeln kann.
Die vom INGV durchgeführte Forschung und Spitzentechnologie findet auch in vielen anderen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung Anwendung. Dies ist der Fall bei der Studie „Pipeline für erweiterte Kontrastverstärkung (PACE) von Röntgen-Thoraxaufnahmen bei der Beurteilung von COVID-19-Patienten durch Kombination von zweidimensionaler empirischer Moduszerlegung und kontrastbegrenzter adaptiver Histogramm-Entzerrung (CLAHE)““, das kürzlich im MDPI-Journal „Sustainability“ veröffentlicht wurde und in Zusammenarbeit mit der Universität Messina und der Universität Catania durchgeführt wurde, für die Entwicklung einer Softwareanwendung namens „PACE“, die Radiologen eine sehr wichtige Unterstützung bei der Diagnose und Behandlung schwerer Lungenerkrankungen wie denen durch COVID-19 bieten soll.
Tatsächlich wurde die bei Patienten mit Lungenerkrankungen angewandte diagnostische Bildgebung durch die vom INGV normalerweise zur Charakterisierung des „Gesundheitszustands“ der Erdkruste verwendete Methode unterstützt.
"Die Analogie zwischen dem Inneren der Erde und dem Inneren der Lunge mag ziemlich gewagt erscheinen“, sagt Massimo Chiappini, INGV-Forscher und Mitautor der Initiative. „Diese Forschung entstand jedoch genau aus der Intuition, dieselben Bildverarbeitungstechniken auf medizinische Bilder anzuwenden, die wir normalerweise verwenden, um den Untergrund in Gebieten darzustellen, die seismischen, vulkanischen oder Umweltrisiken ausgesetzt sind.“
Es ist bekannt, dass bei Patienten mit schweren Lungenerkrankungen, wie zuletzt COVID-19, die radiologische Beurteilung der Lungenläsionen sowohl für die Überwachung des Krankheitsverlaufs als auch für die Beurteilung des Ansprechens auf spezifische Therapien unerlässlich ist. Diese Aufgabe wird jedoch dadurch erschwert, dass Patienten, insbesondere in den akuten Phasen der Erkrankung, nicht kooperieren und/oder sich auf der Intensivstation befinden. Darüber hinaus werden in diesen Situationen Röntgenaufnahmen häufig mit tragbaren Röntgengeräten angefertigt, die oft Artefakte erzeugen, die die Lesbarkeit beeinträchtigen.
Daher wurde die PACE-Software, die von einem multidisziplinären Forscherteam des INGV, der Universität Messina (unter der Leitung von Professor Giovanni Finocchio vom Fachbereich Mathematik und Informatik, Physik und Geowissenschaften (MIFT) und Professor Giuseppe Cicero vom Fachbereich Biomedizinische, Zahnmedizinische und Morphologische und Funktionelle Bildgebungswissenschaften) und der Universität Catania (unter der Leitung von Professor Giulio Siracusano und Professor Aurelio La Corte) entwickelt wurde, darauf ausgelegt, diese Probleme der grafischen Darstellung durch Maximierung des Kontrasts von Röntgenaufnahmen des Brustkorbs zu lösen.
Angesichts der Dringlichkeit haben Ärzte den Algorithmus bisher auf Bilder von COVID-19-Patienten im Universitätskrankenhaus „G. Martino“ in Messina angewendet: PACE hat die Auswertung des Röntgenbilds durch den Radiologen deutlich verbessert. Der Algorithmus kombiniert modernste numerische Bildverarbeitungsanwendungen wie zweidimensionale empirische Zerlegung, homomorphe Filterung und adaptive Histogramm-Entzerrung.
„Aus klinischer Sicht“ - sagt Prof. Gaeta von der Abteilung für biomedizinische, zahnmedizinische und morphologische und funktionelle Bildgebungswissenschaften an der Universität Messina, „Es war wichtig zu überprüfen, ob die von PACE erzeugten zusätzlichen Informationen echt waren. Zu diesem Zweck wurden Röntgenaufnahmen des Brustkorbs und herkömmliche CT-Scans erstellt und miteinander verglichen. Der große Erfolg bestand darin, zu bestätigen, dass die zusätzlichen Läsionen, die die PACE-Software in den einfachen Röntgenbildern erkannte, alle durch die CT-Scans bestätigt wurden.".
„Die Auswirkungen der von INGV und sizilianischen Universitäten entwickelten Software sind im sozialen Bereich äußerst bedeutend.“ sagt Massimo Chiappini. „Zu den Vorteilen zählt neben der offensichtlichen Kosten- und Zeitersparnis, die sich aus der Tatsache ergibt, dass für die Erzielung identischer, brauchbarer Diagnoseergebnisse keine CT-Geräte erforderlich sind, auch, dass beim Einsatz von PACE nur ein einziger Eingriff am Patienten für die Röntgenuntersuchung erforderlich ist, wodurch das Risiko der Verbreitung von Viruserkrankungen, wie im Fall von COVID-19, auch unter medizinischem Personal, reduziert wird. Darüber hinaus bietet diese Technologie die Möglichkeit, sie auch unter extremen Bedingungen einzusetzen, in denen der Zugang zur CT-Diagnostik schwierig ist, sowohl aufgrund der hohen Patientenzahl als auch der Kosten des Geräts selbst, das in wirtschaftlich unterentwickelten Gebieten wie Afrika und Südamerika ein prohibitives Instrument darstellt..
Angesichts des großen Interesses im medizinischen Bereich wurden alle Forschungsergebnisse der wissenschaftlichen Gemeinschaft kostenlos zur Verfügung gestellt.
Link: https://www.mdpi.com/2071-1050/12/20/8573
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Von der Überwachung seismischer und vulkanischer Gebiete bis hin zu medizinischen Therapien: PACE: Die Software, die den CT-Scan ersetzt, ist geboren
Durch die Überarbeitung einer Software zur Überwachung der Erdkruste ist es den Forschern gelungen, eine Software zu entwickeln, mit der die Röntgenbilder in CT-Bilder umgewandelt werden können.
Die vom INGV durchgeführte Forschung und Spitzentechnologie findet auch in vielen anderen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung Anwendung. Dies ist der Fall bei der Studie.Pipeline für erweiterte Kontrastverstärkung (PACE) von Röntgen-Thoraxaufnahmen bei der Beurteilung von COVID-19-Patienten durch Kombination von zweidimensionaler empirischer Moduszerlegung und kontrastbegrenzter adaptiver Histogramm-Gleichstellung (CLAHE)", die kürzlich im MDPI-Journal „Sustainability“ veröffentlicht wurde. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Messina und der Universität Catania durchgeführt, um eine Softwareanwendung namens „PACE“ zu entwickeln, die Radiologen eine äußerst wichtige Unterstützung bei der Diagnose und Behandlung schwerer Lungenerkrankungen wie denen durch COVID-19 bieten soll.
Tatsächlich kommt die diagnostische Bildgebung, die normalerweise vom INGV zur Charakterisierung des „Gesundheitszustands“ der Erdkruste verwendet wird, der diagnostischen Bildgebung zugute, die bei Patienten mit Lungenerkrankungen angewendet wird.
„Die Analogie zwischen dem Inneren der Erde und dem Inneren der Lunge kann ziemlich gewagt erscheinen", sagt Massimo Chiappini, Forscher am INGV und Mitautor der Initiative. "Diese Forschung entspringt jedoch genau der Intuition, auf medizinische Bilder dieselben Bildverarbeitungstechniken anzuwenden, die wir normalerweise für die Darstellung des Untergrunds in Gebieten verwenden, die Erdbeben-, Vulkan- oder Umweltrisiken ausgesetzt sind.“
Es ist bekannt, dass bei Patienten mit schweren Lungenerkrankungen, wie zuletzt COVID-19, die radiologische Untersuchung der Lungenläsionen sowohl für die Überwachung des Krankheitsverlaufs als auch für die Beurteilung des Ansprechens auf spezifische Therapien unerlässlich ist. Diese Tätigkeit wird jedoch dadurch erschwert, dass Patienten, insbesondere in den akuten Phasen der Erkrankung, nicht kooperieren und/oder sich auf der Intensivstation befinden. Darüber hinaus werden in solchen Situationen Röntgenaufnahmen häufig mit tragbaren Röntgengeräten durchgeführt, die oft künstliche Bilder erzeugen, die die Lesbarkeit beeinträchtigen.
Daher wurde die PACE-Software, die von einem multidisziplinären Forscherteam des INGV, der Universität Messina (unter der Leitung von Prof. Giovanni Finocchio vom Fachbereich Mathematik und Informatik, Physik und Geowissenschaften (MIFT) und Prof. Giuseppe Cicero vom Fachbereich Biomedizinische, Zahnmedizinische und Morphologische und Funktionelle Bildgebungswissenschaften) und der Universität Catania (unter der Leitung von Prof. Giulio Siracusano und Prof. Aurelio La Corte) entwickelt wurde, darauf ausgelegt, diese Probleme der grafischen Darstellung durch Maximierung des Kontrasts von Röntgenaufnahmen des Brustkorbs zu lösen.
Angesichts der Dringlichkeit haben Ärzte den Algorithmus bereits auf die Bilder von COVID-19-Patienten im Universitätskrankenhaus „G. Martino“ in Messina angewendet: Mit PACE konnte die Auswertung der Röntgenbilder durch den Radiologen deutlich verbessert werden. Der Algorithmus kombiniert modernste numerische Bildverarbeitungsanwendungen wie die zweidimensionale empirische Zerlegung, den homomorphen Filter und die adaptive Histogramm-Entzerrung auf geeignete Weise.
„Aus klinischer Sicht“ - sagt Prof. Gaeta von der Abteilung für biomedizinische, zahnmedizinische und morphologische und funktionelle Bildgebungswissenschaften der Universität Messina, „„Es war wichtig zu überprüfen, ob die von PACE erzeugten zusätzlichen Informationen echt waren. Zu diesem Zweck wurden Röntgenaufnahmen des Brustkorbs und konventionelle CT-Scans erstellt und miteinander verglichen: Der große Erfolg bestand darin, zu überprüfen, ob die zusätzlichen Läsionen, die die PACE-Software in den einfachen Röntgenbildern erkannte, alle durch die CT-Scans bestätigt wurden.“
"Die Auswirkungen der von INGV und den sizilianischen Universitäten entwickelten Software sind im sozialen Bereich sehr relevant.“, sagt Massimo Chiappini. Zu den Vorteilen zählt neben der deutlichen Kosten- und Zeitersparnis, die sich aus der Unverzichtbarkeit von CT-Geräten für identische, nützliche Diagnoseergebnisse ergibt, auch die Tatsache, dass mit PACE nur ein einziger Eingriff am Patienten für die Röntgenuntersuchung erforderlich ist und dabei das Risiko einer Verbreitung von Viruserkrankungen selbst unter medizinischem Fachpersonal, wie im Fall von COVID-19, geringer ist. Darüber hinaus bietet diese Technologie die Möglichkeit, sie auch unter extremen Bedingungen anzuwenden, unter denen der Zugang zur CT-Diagnostik sowohl aufgrund der hohen Patientenzahl als auch der Kosten des Geräts selbst nicht einfach ist und in wirtschaftlich unterentwickelten Gebieten wie Afrika und Südamerika eine unerschwingliche Instrumentierung darstellt.
Angesichts des großen Interesses im medizinischen Bereich wurden alle Forschungsergebnisse der wissenschaftlichen Gemeinschaft kostenlos zur Verfügung gestellt.
Link: https://www.mdpi.com/2071-1050/12/20/8573
Bild 1 Die Abbildung zeigt ein Beispiel für die Anwendung von PACE und vergleicht die folgenden Bilder: (a) herkömmliches Röntgenbild, (b) CT-Bild und (c) PACE-verarbeitetes Röntgenbild. Dank des verstärkten Kontrasts ist zu erkennen, wie die PACE-Verarbeitung eine Reihe von Lungenläsionen hervorhebt, die durch den schwarzen Pfeil gekennzeichnet sind und im herkömmlichen Röntgenbild nicht vorhanden sind. Die Vergrößerungen (d, e, f) verdeutlichen den Vergleich und die Leistungsfähigkeit der Methode, die durch die CT-Bilder bestätigt wird.
Bild Nr. 1 Die Abbildung zeigt ein Beispiel für die Anwendung von PACE anhand eines Vergleichs der folgenden Bilder: (a) herkömmliche Röntgenaufnahme, (b) CT-Aufnahme und (c) PACE-bearbeitete Röntgenaufnahme. Dank verbesserter Kontraste ist erkennbar, wie die PACE-Bearbeitung eine Reihe von Lungenläsionen hervorhebt, die durch den schwarzen Pfeil gekennzeichnet sind und in der herkömmlichen Röntgenaufnahme nicht vorhanden sind. Die Vergrößerungen (d, e, f) machen den Vergleich und die Leistungsfähigkeit der Methode, die durch die CT-Bilder bestätigt wird, noch deutlicher.