Ταξινόμηση καρκινικών όγκων εγκεφάλου με χρήση μεθόδων μηχανικής μάθησης

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να ερευνηθούν μέθοδοι μηχανικής μάθησης για την ταξινόμηση διαφόρων τύπων καρκινικών όγκων εγκεφάλου με χρήση δεδομένων μαγνητικής τομογραφίας. Η διάγνωση του τύπου του καρκίνου είναι σημαντική για τον κατάλληλο σχεδιασμό της θεραπείας. Γενικά η ταξινόμηση καρκινικών όγκων αποτελείται από επιμέρους βήματα, όπως καθορισμός των περιοχών ενδιαφέροντος (ROIs), εξαγωγή χαρακτηριστικών, επιλογή χαρακτηριστικών, ταξινόμηση. Η εργασία αυτή εστιάζει στα δύο τελευταία βήματα ώστε να εξαχθεί μια γενική επισκόπηση της επίδρασης των εκάστοτε μεθόδων όσον αφορά την ταξινόμηση των διαφόρων όγκων. Τα εξαγόμενα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν χαρακτηριστικά φωτεινότητας και περιγράμματος από συμβατικές τεχνικές απεικόνισης μαγνητικής τομογραφίας (Τ2, Τ1 με έγχυση σκιαγραφικού, Flair,Τ1) καθώς και μη συμβατικές τεχνικές (Μαγνητική τομογραφία αιματικής διήθησης ). Για την επιλογή των χαρακτηριστικών χρησιμοποιήθηκαν διάφορες μέθοδοι φιλτραρίσματος, όπως CFSsubset, wrapper, consistency σε συνδυασμό με μεθόδους αναζήτησης, όπως scatter, best first, greedy stepwise, με τη βοήθεια του πακέτου Waikato Environment for Knowledge Analysis (WEKA). Οι μέθοδοι εφαρμόστηκαν σε 101 ασθενείς με καρκινικούς όγκους εγκεφάλου οι οποίοι είχαν διαγνωστεί ως μετάσταση (24), μηνιγγίωμα (4), γλοίωμα βαθμού 2 (22), γλοίωμα βαθμού 3 (17) ή γλοίωμα βαθμού 4 (34) και επαληθεύτηκαν με τη στρατηγική του αχρησιμοποίητου παραδείγματος (Leave One Out-LOO) The objective of this study is to investigate the use of pattern classification methods for distinguishing different types of brain tumors, such as primary gliomas from metastases, and also for grading of gliomas. A computer-assisted classification method combining conventional magnetic resonance imaging (MRI) and perfusion MRI is developed and used for differential diagnosis. The characterization and accurate determination of brain tumor grade and type is very important because it influences and specifies patient's treatment planning. The proposed scheme consists of several steps including ROI definition, feature extraction, feature selection and classification. The extracted features include tumor shape and intensity characteristics. Features subset selection is performed using two filtering methods, correlation-based feature selection method and consistency method, and a wrapper approach in combination with three different search algorithms (best first, greedy stepwise and scatter). These methods are implemented using the assistance of the WEKA software [20]. The highest binary classification accuracy assessed by leave-one-out (LOO) cross-validation on 102 brain tumors, is 94.1% for discrimination of metastases from gliomas, and 91.3% for discrimination of high grade from low grade neoplasms. Multi-class classification is also performed and 76.29% accuracy achieved.