Ajuste automático de parâmetros para aplicações de segmentação nuclear em imagens médicas

Abstract

Imagens em alta resolução de microscopia são muito importantes no estudo de doenças em níveis celulares e sub-celulares. Os efeitos causados por muitas doenças, como o câncer por exemplo, geralmente manifestam-se como alterações na morfologia das células em escala microscópica. Investigar essas mudanças e suas correlações com dados moleculares e resultados clínicos podem levar a uma melhor compreensão dos mecanismos da doença, e permitir o desenvolvimento de novas formas de tratamento. Existem aplicações de bioinformática capazes de realizar análises qualitativas em amostras de tecidos humanos por meio do processamento desse tipo de imagem. Essas aplicações são parametrizadas e alterações nos valores de seus parâmetros de configuração podem causar impactos significativos na qualidade do resultado. Além disso, elas são pré-configuradas por um conjunto de parâmetros padrão que não são os ideais para todos os tipos de imagens que poderão ser analisadas. Dependendo do tamanho da imagem a ser processada, cada execução dessas aplicações pode levar horas em uma estação de trabalho comum. Neste trabalho foram utilizadas duas aplicações exemplo que, conforme os valores de parâmetros utilizados, podem ser ajustadas em bilhões de maneiras diferentes. Para encontrar combinações de parâmetros que melhorem a qualidade do resultado e reduzam o tempo de execução destas aplicações de maneira eficiente, foi proposto um sistema de ajuste automático de parâmetros multiobjetivo capaz de melhorar a qualidade da análise dessas aplicações em até 8,35x e de reduzir o tempo de execução em até 16,05x, testando-se apenas 100 pontos do espaço de busca. A fim de avaliar a capacidade de generalização do sistema de otimização em encontrar uma combinação de parâmetros que fosse capaz de otimizar múltiplas imagens ao mesmo tempo, realizou-se experimentos de validação cruzada em que foi possível atingir uma melhoria de até 1,15x na qualidade do resultado e de redução no tempo de execução médio em 10,25x. Para quantificar essas melhorias e as alterações na morfologia das células e tecidos em escala micro-anatômica foram desenvolvidas múltiplas métricas e mecanismos de consultas espaciais a fim de tornar essas análises mais precisas e eficientes.