Det digitale øje kigger med

Gemmer der sig flere informationer i et røntgenbillede, end det menneskelige øje kan fange? Gemmer der sig endda afgørende data, som er usynlige for selv en dygtig radiolog? Og kan en computer »med øje« for de mindste detaljer i et røntgenbillede afsløre en forhøjet sygdomsrisiko eller meget tidlige forstadier til sygdom?

Det er spørgsmål, som det kræver både lægefaglig og computerteknologisk indsigt at besvare, og Clinical Image Analysis er navnet på det forskningsprojekt, som skal prøve at give nogle svar. Bag projektet står IT-Højskolen og CCBR A/S - Center for Clinical and Basic Research. Formålet er at udvikle en digital teknologi, som kan give radiologer og andre medicinske specialister bedre »øjne« at aflæse røntgenbilleder med.

Samarbejdet mellem IT-Højskolen og CCBR er struktureret i tre ph.d.-projekter: Et om knogleskørhed og frakturer i rygraden, et om forkalkning af aorta, og et om brystdensitet. Fælles for de tre projekter er, at de retter sig mod både en tidligere og en mere sikker diagnose af osteoporose, brystcancer og forkalkning hos kvinder. Alle har en hormonel faktor, og for CCBR er ønsket at blive bedre til at analysere hele komplekset af denne type diagnoser.

»I undersøgelsen indgår 8.000 kvinder, hvor vi har data tilbage fra de var i 50 års alderen og frem til nu, hvor de er over 70 år. Det er verdens længste observationsstudie, og det betyder, at vi har et sæt unikke data, så vi kan se, om der er bestemte helbredsmæssige konsekvenser af forskellige typer hormonbehandlinger«, siger dr.med. Claus Christiansen, direktør for CCBR.

Virksomheden har siden 1992 bedrevet både klinisk forskning og medicinsk-biologisk grundforskning. Og det har man gjort så godt, at CCBR rangerede som den højest placerede private virksomhed, da D'ARC - DTU's center for analyse og forskningsformidling - i slutningen af 2002 gjorde status over publiceringen af medicinsk forskning fra Danmark i de vigtigste internationale tidsskrifter.

Med 40.000 kliniske undersøgelser om året i forskellige forskningsprojekter og 7 procent af alle danske mammografier årligt ligger CCBR inde med en meget stor datamængde, herunder mange tusinde røntgenfotos som nu skal digitaliseres.

50.000 tal pr. billede

»Man kan sige, at opgaven i Clinical Image Analysis består i at prøve at drive mere information ud af røntgenbillederne end klinikeren kan med sin manuelle annotering«, siger professor Mads Nielsen fra IT-højskolens Innovationsafdeling, hvor der er en gruppe, som forsker i digital billedanalyse.

»Menneskets øje og computerens ,øjne` er gode til forskellige ting. Det menneskelige øje er ikke godt til at bestemme absolutte mål - til gengæld er det godt til at danne sig et overblik - hvor ligger det ene i forhold til det andet? Computeren er meget bedre til en fuldstændig gennemscanning af noget for at registrere alle detaljer, og den kan operere med målfasthed. Præcis hvor stor er den genstand, der undersøges?

Den store øvelse i de tre projekter går ud på at lære computerne: Hvordan ser en ryghvirvel ud? Hvordan identificerer man forkalkning af aorta? Hvad er brystdensitet? Og hvad ligger inden for det normale - raske - spektrum, og hvad ligger uden for?

I USA er den første teknologi, der benytter sig af automatiseret digital billedanalyse, allerede godkendt af sundhedsmyndighederne. Det er i forsøg vist, at kombinationen af en radiolog og en computer stiller mere sikre brystcancerdiagnoser ved at identificere mikrokalcifikationer end to radiologer«, fortæller Mads Nielsen.

Metoden bliver kaldt computer-aided diagnosis. Computeren har populært sagt lært at skelne mellem normale - raske - og anormale røntgenbilleder. Men til forskel fra lægen gør computeren det alene ud fra tal, hvilket potentielt giver mulighed for at foretage en meget mere præcis aflæsning af røntgenbilleder.

En ryghvirvel kan af en computer måske beskrives af 50.000 tal per billede, fortæller Mads Nielsen, men i dag bruger man kun 12 tal - seks punkter - for at måle højden på hvirvlen. På den måde er det meget lidt af den tilgængelige information, man reelt bruger.

»Vi skal prøve at identificere mindre forskelle, end man gør nu. Hvis man kan registrere endnu mindre ændringer, vil man hurtigere kunne stille en diagnose. Noget som før ikke var statistisk signifikant, kan måske blive det«, siger Mads Nielsen.

I dag har man en ret enkel pointskala for forkalkning i aorta. Er det mindre end en tredjedel, mellem en og to tredjedele eller mere end to tredjedele af aorta, som har synlig forkalkning. Herefter giver man point fra 0 til 24 alt efter forkalkningsgraden

»Her håber vi, at vi kan få udviklet en langt mere præcis målestok, der bygger på en finere detaljeringsgrad og mere fingrynede målinger«, siger Mads Nielsen.

»Når det drejer sig om brystdensitet, skal den digitale teknologi ud fra røntgenbillederne kunne beregne detaljer, strukturer og mønstre i brystets væv og på den måde producere bedre tal, der forudser risikoen for brystkræft - før canceren er under udvikling. Med røntgenbillederne fra CCBR kan vi lade som om, vi har lavet en undersøgelse i 1995 for at se, om vi dengang kunne have forudset, hvordan det ser ud i dag. Det kan vi gøre, fordi vi har data fra før og nu«, siger Mads Nielsen.

Tredimensionel statistik

Til digital billedanalyse skal man anvende en ny slags statistik - kaldet Statistical Shape Analysis. Computeren skal nemlig kunne anvende statistik på tredimensionelle former.

»At finde middelværdier for diameteren på en ært er ret nemt, men at finde, definere og genkende formen på noget er langt mere kompliceret«, siger Mads Nielsen.

»Alt skal omdannes til tal - uanset hvad vi kigger på. Computeren skal kigge en masse billeder igennem og f.eks. lære at finde middelformen for en ryghvirvel. Efterhånden genkender computeren, hvordan den ser ud. Men den skal også kunne skelne omgivelserne, så kan den finde det sted i billedet, hvor formen mest sandsynligt ligger«.

Computeren skal så at sige kunne foretage en genkendelse med statistiske variationer. Ligner det ryg her - eller her? Hvis det ligner ryg, får den mere regnekraft, ellers ryger det ud af beregningerne. Teknisk kaldes det partikelfiltrering.

»Det fungerer lidt som biologisk vækst, når man kaster celler ud: De som har gode vilkår, overlever og formerer sig, og de som har dårlige vilkår, dør ud. Vi sender små ,agenter` ned på billedet - de der finder noget, der ligner ryg, kalder på flere agenter, mens de der ikke finder noget, går hjem. Til sidst konkluderer computeren: Her ser det ud, som om rygsøjlen ligger. Når det er sket, skal den se, om der er frakturer ved at studere formen på ryghvirvlerne - er der særlige frakturdetaljer? - og vi skal også have et tal for frakturgrad, altså nogle præcise, målfaste værdier for graden af knoglenedbruddet«, fortæller Mads Nielsen.

»I dag defineres en fraktur som en tyveprocents afvigelse i højden , men vi skal gerne udvikle nye, mere præ cise og sikre målestokke, der kan operere i mindre afvigelser«.

Hvilken slags fraktur?

Afkalkning i rygsøjlen er ikke altid nemt at diagnosticere - der er både en aldersbetinget proces, og så er der rigtigt knoglebrud, og de to lapper over hinanden.

»Der er både såkaldte ,crush fractures`, hvor hele ryghvirvlen synker sammen, og ,edge fractures`, hvor hvirvlen synker i den ene side. Nogle frakturer er nemme at se, men andre er meget vanskeligere. Nu måler man tre højder på hvirvlen, og interrelationen mellem dem er mål for frakturforekomsten. Osteoporoseprojektet handler i høj grad om på en digital kvantificerbar måde at definere, hvordan højden på ryghvirvlerne kan måles«, siger Claus Christiansen.

Desuden er der en anden del af projektet, hvor der skal registreres kalkdensitet i rygsøjlen - målt i gram pr. cm3.

»Fra røntgenscanning får vi den tredje dimension - og på den måde kobler vi informationer om kalkdensiteten med formen på ryghvirvlerne, så vi har to sæt informationer at arbejde ud fra, når vi skal prøve at systematisere osteoporosetallene«.

Projektet om forkalkning af aorta har den særlige omstændighed ved sig, at en ikkeforkalket aorta er usynlig på røntgenfoto. Aorta kan kun ses, hvis der er en skygge fra forkalkning. Derfor må computeren starte med at finde rygsøjlen, og der skal etableres nogle middelværdier, så computeren kan udregne korrelationen mellem rygsøjlens bøjning og aortas bøjning og på den måde skabe nogle formparametre for, hvor de ligger i forhold til hinanden.

»Computeren skal finde ud af, hvor meget kalk der er aflejret ved aortas forgrening ud i benene og så sammenligne med et korresponderende areal uden for aorta, så vi kan få præcise tal for forkalkningen i aorta«, fortæller Claus Christiansen.

Computerne kan ikke selv

For Claus Christiansen betyder digitalisering af CCBR's røntgenfoto to ting: For det første selve konverteringen af analoge røntgenfoto til digitalt format, men lige så meget muligheden for at sætte præcise tal på indholdet af billederne. Det er her, den afgørende forskel til den menneskelige billeddiagnostik ligger.

»Det menneskelige øje er en god detektor, men det kan blive endnu bedre med digital assistance, og jeg tror den bedste kombination til røntgendiagnostik vil være en computer sammen med en dygtig radiolog eller specialist«, siger Claus Christiansen.

»Mit håb er, at vi med dette projekt får større indsigt i nogle sygdomme og nogle patofysiologiske mekanismer. Men det bliver aldrig computere alene, som kan foretage billeddiagnose. Selv om de kan gøre det 97-98 procent rigtigt, så vil der altid skulle være en menneskelig kapacitet til at kontrollere billederne og fange de ting, som computeren ikke kan. Den ved jo ikke, hvad det er den kigger på - det kunne lige så godt være en bukseknap. Radiologer - og mennesker i det hele taget - kan bruge deres sunde fornuft og se tingene i en større sammenhæng - i modsætning til computeren, som kun kan kigge efter og identificere det, den er oplært til«, siger Claus Christiansen.

Han håber, at samarbejdet med IT-Højskolen om den digitale billedanalyse kan være med til at svare på nogle vigtige medicinske spørgsmål: Er det sådan, at når kalken går ud af knoglerne, så sætter den sig i aorta? Hvad betinger i det hele taget åreforkalkning? Er hormoner gavnlige eller skadelige, når det gælder udvikling af cancer og åreforkalkning?

»Det kan den nye teknologi forhåbentlig hjælpe med at svare på, når vi får analyseret og sat tal på de mange røntgenfotos, men jeg er allerede meget overbevist om, at vi kan øge den diagnostiske specificitet og sensitivitet med digital teknologi«, siger Claus Christiansen.

Han forventer, at de første resultater fra projektet begynder at komme i hus allerede om et halvt år, selv om de tre ph.d.-projekter først slutter i 2006 og 2007.

Fakta - IT-Højskolen

IT-Højskolen blev etableret i 1999 med det formål at styrke it-uddannelse og it-forskning i Københavnsområdet. Skolen beskæftiger sig med informationsteknologi inden for naturvidenskab og matematik samt inden for humanistiske og kreative anvendelser af teknologien. Desuden forskes i de erhvervsmæssige muligheder i IT. Skolen tilbyder kandidatuddannelser, masteruddannelser, diplomuddannelser og enkeltfag. Det kræver som minimum en bachelorgrad at blive optaget på skolen.

www.it-c.dk

Fakta - CCBR A/S

Center for Clinical and Basic Research blev etableret i 1992 af dr.med. Claus Christiansen. CCBR arbejder inden for knogleomsætning, osteoporose, åreforkalkning, gigt, diabetes, cancer og fedme. Virksomheden udfører grundforskning, præklinisk forskning samt klinisk forskning. Desuden har CCBR et klinisk-kemisk laboratorium. Der er omkring 100 medarbejdere i Danmark - og afdelinger i Estland og Brasilien.