Estimation of gastrointestinal polyp size in video endoscopy

Abstract

Abstract Worldwide the colorectal cancer is one of the most common public health problems, constituting in 2010 the seventh cause of death. This aggressive cancer is firstly identified during an endoscopy routine examination by characterizing a set of polyps that appear along the digestive tract, mainly in the colon and rectum. The polyp size is one of the most important features that determines the surgical endoscopy management and even can be used to predict the level of aggressiveness. For instance, the gastroenterologists only send a polyp sample to the pathology examination if the polyp diameter is larger than 10 mm, a measure that is achieved typically by examining the lesion with a calibrated endoscopy tool. However, the polyp size measure is very challenging because it must be performed during a procedure subjected to a complex mix of noise sources, such as: the distorted optical characteristics of the endoscopy, the exacerbated physiological conditions and abrupt motion. The main goal of this thesis was estimated the polyp size during an endoscopy video sequence using a spatio-temporal characterization. Firstly, the method estimated the region with more motion within which the polyp shape is approximated by those pixels with the largest temporal variance. On the above, an initial manual polyp delineation in the first frame captures the main features to be follow in posterior frames by a cross correlation procedure. Afterwards, a bayesian tracking strategy is used to refine the polyp segmentation. Finally a defocus strategy allows to estimate on the clear cut frame at a certain depth as a reference to determine the polyp size obtaining reliable results. In the segmentation task, the approach achieved a Dice Score of 0.7 in real endoscopy video-sequences, when comparing with an expert. In addition, the results polyp size estimation obtained a Root Mean Square Error (RMSE) of 0.87 mm with spheres of known size that simulated the polyps, and in real endoscopy sequences obtaining a RMSE of 4.7 mm compared with measures obtained by a group of four experts with similar experience.

El cáncer colorectal es uno de los problemas de salud pública más comunes a nivel mundial, ocupando la séptima causa de muerte en el 2010. Este tipo de cáncer tan agresivo es identificado prematuramente por un conjunto de pólipos que crecen a lo largo del tracto digestivo, principalmente en el colon y el recto. El tamaño de los pólipos es una de las características mas importantes, con la cual se determina el manejo quirúrgico de la lesión e incluso puede ser usado para predecir el grado de malignidad. Acorde a esto, el experto solo envía una muestra del pólipo para un examen patológico, sí el diámetro del pólipo es más largo que 10 mm. típica mente, esta medida es tomada examinando la lesión con una herramienta endoscópica calibrada. Sin embargo, la medición del tamaño del pólipo es realmente difícil debido a que el procedimiento está sujeto a fuentes de ruido bastante complejas, tales como: la distorsión óptica que es característica del endoscopio, las condiciones fisiológicas del tracto digestivo y los movimientos abruptos con el dispositivo. La contribución principal de este trabajo fue la estimación del tamaño de los pólipos, sobre una secuencia de vídeo de un procedimiento de endoscopia usando una caracterización espacio-temporal. En primera parte, el método estima la región con mayor movimiento que corresponde aproximadamente a la región del pólipo, tomando aquellos pixeles con mayor varianza temporal. Sobre lo anterior, una delineación manual de la lesión es realizada en el primer cuadro para establecer las principales características, para ser seguidas en los cuadros posteriores usando un método de correlación cruzada. Después, se usó una estrategia de seguimiento bayesiana para refinar la segmentación del pólipo. Finalmente, una estrategia basada en la correspondencia del desenfoque de las imágenes de una secuencia a una profundidad o distancia determinada, se pudo obtener una referencia para determinar el tamaño de los pólipos, obteniendo resultados fiables. En la etapa de segmentación, la estrategia logra un Dice score de 0, 7 al comparar con un experto en secuencias de endoscopia reales. Y en la estimación del tamaño de los pólipo se obtuvo un error cuadrático medio (RMSE) de 0.87 mm, comparando con esferas de tamaño conocido que simulaban los pólipos, y en secuencias de endoscopia reales se obtuvo un RMSE de 4.7 mm comparando con las medidas obtenidas por un grupo de cuatro. expertos con experiencia similar.