Nye modeller av tykktarmen i 3D kan avdekke sykdommer raskere

4 months ago 50

Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Den nye forskningen er viktige steg på veien mot det overordnede målet: Å bekjempe tarmkreft, den nest hyppigste kreftformen i Norge. (Foto: Peter Porrini / Shutterstock / NTB)

Ett enkelt bilde fra et pillekamera var nok til at forskerne klarte å lage en tredimensjonal modell av tykktarmen.

– Arbeidet vårt viser at det er mulig å finne en nokså nøyaktig tredimensjonal modell av enkeltpasienters tykktarm basert på bare 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 forsker for å forbedre bildene som avdekker avvik i mage- og tarmsystemet.

Han har arbeidet i flere år 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. Lav kvalitet og visuell støy i bildene gjort at teknologien, som i utgangspunktet er smart, ikke har tatt av.

Nå er Floor og professor Ivar Farup veiledere for doktorgradsarbeidet til Bilal Ahmad. Målet for forskningen deres er å forbedre bildene som spesialistene trenger for å oppdage avvik i mage- og tarmsystemet til pasientene sine. Da kan de oppdage sykdom lettere 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, enkeltbilder tatt av et endoskop 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.

Forskerne har brukt en matematisk modell som kan rekonstruere en tredimensjonal form ved hjelp av ett enkelt, todimensjonalt bilde. Det kalles en Shape from shading-algoritme (SFS).

Testoppsettet med endoskop, kunstig tykktarm og bilder overført til pc.

Tro tarmkopi gjenskapt på pc

Hvis algoritmer fôres med bilder som er grumsete eller har fargeforstyrrelser, vil feilene forplante seg til 3D-modellen.

– Vi viser at ved møysommelig kalibrering 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 de gjenskape lengre deler av tykktarmen. Modellene skal gjøre det mulig å finne ut nøyaktig hvor i tarmen det er avvik og tegn til sykdom.

– 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. Det gjør de 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 så det blir mulig å se mer detaljer.

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.

Den rekonstruerte, tredimensjonale modellen som er basert på de tre originalene.

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.

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. En del opplever faktisk slike undersøkelser som så smertefulle at de vegrer seg for å ta dem.

Kamera i kapsel

Pillekameraene derimot, kan kartlegge alle kriker og kroker av tarmen. Det gjør de 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 kameraet 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.

Mister viktige detaljer

Det kan altså skje at det bare blir tatt ett enkelt bilde av et 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 det ene, viktige bildet, er skarpt og klart.

Det er derfor det er så viktig å kunne rekonstruere en tredimensjonal modell basert på bare ett bilde, slik Floor og kollegene nå har gjort. De nye 3D-modellene vil kunne bidra til mer nøyaktige og mindre krevende mage-tarm-undersøkelser. Det gir i sin tur bedre behandling.

Fra kulturarv til robotikk

Pål Anders Floor og kollegene kommer med flere anbefalinger for hvordan teknologien kan designes bedre 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.

Referanse:

Bilal Ahmad, Pål Anders Floor mfl.: Single-Image-Based 3D Reconstruction of Endoscopic Images. Journal of Imaging, 2024. Doi.org/10.3390/jimaging10040082