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INFORME TECNICO FINAL EXTENSO Título del proyecto: Sistema computacional para la clasificación automática de cromosomas auxiliar en el diagnóstico temprano de enfermedades genéticas. Responsable Técnico: Yahir Hernández Mier. Clave del Proyecto: 2011-C35-177628. Institución.: Universidad Politécnica de Victoria. 1. Resumen del proyecto El objetivo del proyecto era desarrollar un sistema capaz de realizar automáticamente la clasificación de cromosomas para fabricar cariogramas (cariotipos). Estos cariogramas permiten la identificación de anomalías genéticas. El presente proyecto se desarrolló en cuatro etapas, de las cuales, la segunda etapa consumió la mayor parte del tiempo destinado al mismo. Durante la primera etapa del proyecto se instaló un sistema de microscopia marca Carl Zeiss con cámara digital acoplada y con conexión a una computadora. En realidad fue durante el tiempo de la segunda etapa, pero se cumplió con la instalación. Este sistema se puede ver en el Anexo 3. Con este sistema, la Bióloga Marisa Mujica, del Hospital Infantil de Tamaulipas, adquirió una serie de imágenes de cromosomas observables en muestras de sangre preparadas con la técnica Giemsa. En total se adquirieron 40 imágenes. En la parte técnica, en esta primera etapa se comprometió la integración e instalación del sistema, así como el desarrollo de un módulo de procesamiento de imágenes para el mejoramiento de la calidad visual de las imágenes. Estos productos se entregaron en tiempo y forma. El Anexo 1 contiene la información documental correspondiente a este módulo. En cuanto a la formación de recursos humanos, se tuvieron dos tesistas de ingeniería que trabajaron en este proyecto y produjeron las tesinas necesarias para graduarse. Sus tesinas se muestran en el Anexo 9. La segunda etapa del proyecto consistió en desarrollar un módulo de procesamiento de imágenes para la segmentación (separación) en estructuras individuales de los cromosomas. Esta etapa fue crítica durante el desarrollo del proyecto, ya que hasta apenas un par de meses arias se empezaron a tener resultados significativos. En total, se estuvo trabajando en esta etapa más de 18 meses, Inicialmente se subestimo su dificultad y se pensó que con herramientas desarrolladas anteriormente por los participantes en el proyecto se podía realizar la tarea. Sin embargo, la literatura encontrada al respecto muestra que es un problema para el cual no existe una técnica que funcione en todos los casos. Actualmente, se llegó a una metodología que permite segmentar los cromosomas en estructuras individuales, que si bien, no es infalible, con la parametrizacion adecuada, se obtienen buenos resultados en las imágenes consideradas como “difíciles”. En el Anexo 6 se presenta un resumen de la técnica desarrollada. Tomo mucha reflexión y experimentación el llegar hasta los resultados que se muestran. Se recomienda leer con atención ese anexo, en especial la sección 3, por el trabajo implicado. Actualmente, esta técnica se encuentra en evaluación y se prepara un artículo que será enviado a una revista indexada. En diciembre de 2014 se tuvo una plática con los expertos del área de citogenética del Hospital Infantil y comentaron que los resultados de segmentación que se alcanzaron en esta etapa son más que suficientes para sus propósitos, y que los esfuerzos deben enfocarse en la automatización de la clasificación y producción del cariograma. En esta etapa, además del módulo de segmentación, se comprometieron dos tesinas de ingeniería y un artículo. Las tesinas no se realizaron debido principalmente a problemas administrativos y el artículo sobre segmentación se encuentra en preparación. El 1 investigador colaborador principal en esta etapa deja de participar con el equipo de trabajo debido a un cambio de residencia a otro país, así como de obligaciones laborales. En la tercera etapa debió desarrollarse el módulo de clasificación automática y una interfaz usuario, sin embargo, durante el tiempo destinado a esta etapa se continuó trabajando en el algoritmo de segmentación automática de cromosomas. Se realizó una investigación bibliográfica sobre los posibles algoritmos a utilizar y se produjo un pequeño reporte. En esta etapa se recibió la computadora comprada con recursos del fondo, la cual tiene el procesador, la memoria y la tarjeta gráfica que facilitan el desarrollo de aplicaciones de procesamiento de imágenes en programas de cálculo numérico. A partir del tercer cuatrimestre del año 2014 se empezó a trabajar en los algoritmos de clasificación utilizables en la construcción del cariotipo. Los recursos originalmente destinados a la tercera etapa ya no se recibieron porque no se entregó a tiempo el informe financiero de la primera etapa. Solo se recibieron los recursos hasta la segunda etapa. En la cuarta etapa debió entregarse un sistema de clasificación automática de cromosomas funcional evaluado. Lo que se tiene actualmente es una herramienta grafica que permite marcar los cromosomas que no fueron separados automáticamente por el módulo de segmentación automática y realizar la segmentación utilizando la marca propuesta por el usuario. Es un producto entregable al usuario que, por el momento, solo facilita la separación de los cromosomas. Durante el tiempo destinado a la cuarta etapa, se tuvieron avances significativos en la segmentación automática de cromosomas y se obtuvieron resultados iniciales en el módulo de clasificación automática. En esta etapa se debió ya tener un sistema integrado y evaluado, sin embargo, aún se encuentran en desarrollo las actividades de la tercera y cuarta etapa del proyecto (las más cortas). El trabajo de exploración de clasificadores y evaluación del sistema correrá a cargo de un tesista de maestría en ingeniería, becado por Conacyt, que comenzara a desarrollar su tesis a partir de abril de 2015 (ver Anexo 4). Es el primer tesista de maestría que trabajara en el proyecto. Los resultados alcanzados hasta el momento muestran que aún no se alcanza la meta final establecida. El equipo de trabajo está consciente de que, desde el punto de vista técnico, aun no se podría finiquitar el proyecto. Sin embargo, los últimos resultados, así como el estudiante de maestría que se acaba de integrar al proyecto, garantizan que los productos comprometidos inicialmente se alcancen y se pueda finiquitar el proyecto. Además, los productos científicos de este proyecto son de suma importancia para los involucrados en su desarrollo, ya que se espera que las publicaciones generadas permitan el ingreso, o en su caso la permanencia, de los participantes en el Sistema Nacional de Investigadores. Esto es otra garantía de que las metas se alcanzaran. Se propone, si es posible, tener reuniones periódicas con los responsables del seguimiento de proyectos del Fondo Mixto Conacyt-Tamaulipas para verificar el avance en la consecución de las metas pendientes. 2 2. Logro de objetivos y metas A continuación se presenta un concentrado de las metas comprometidas y su porcentaje de realización. Meta Porcentaje de termino Una plataforma de adquisición de imágenes de cromosomas (hardware y software) capaz de comunicarse con la unidad central 100% de procesamiento Un módulo de software de preprocesamiento de imágenes de cromosomas para el mejoramiento de la calidad visual y realce de 100% información Un módulo funcional que separe los cromosomas del resto de la 95% imagen incluyendo cromosomas que se encuentren superpuestos Un módulo de software para la clasificación automática de cromosomas por tamaño y tipo y que genere un cariograma 60% básico. Una interfaz usuario que facilite la interacción con la plataforma de adquisición de imágenes y con los módulos software de 50% procesamiento digital de imágenes Un conjunto de indicadores objetivos que permitan evaluar el funcionamiento y comparar los resultados de clasificación del 30% sistema automatizado con los resultados obtenidos por un experto Un sistema de generación automática de cariotipos funcionando 30% en el centro hospitalario 3 3. Productos obtenidos a) Descripción y alcance de los productos generados 1. Un reporte donde se resumen las características principales de software comercial con funcionalidades similares a las del sistema que aquí se propone. Este reporte permitirá definir las características mínimas con las que debe contar el sistema propuesto. Ver Anexo 1. 2. Un reporte donde se resumen las características hardware con que debe contar el sistema. Ver Anexo 2. 3. Un sistema funcional de adquisición de imágenes capaz de adquirir imágenes de microscopia, enviarlas a la computadora y almacenarlas. Ver Anexo 3. 4. Un reporte que contiene las técnicas utilizadas para mejorar la calidad visual, así como la calidad informativa de la imagen. Las imágenes producidas en esta etapa son las utilizadas como entrada para la etapa de segmentación de cromosomas. Ver Anexo 4 5. Un reporte del estado del arte de los algoritmos de segmentación aplicables a las imágenes de cromosomas. Ver Anexo 5. 6. Un módulo de software que realiza la segmentación individual de cromosomas. Ver Anexo 6. 7. Un reporte del estado del arte de las técnicas de clasificación automática aplicadas a imágenes de cromosomas. Ver Anexo 7. 8. Un módulo de clasificación y fabricación de cariotipo. Este producto no está completo, pero los avances se presentan en el Anexo 8. 9. Una interfaz de usuario amigable para el usuario. No se tiene este producto. 10. Un reporte conteniendo los resultados de las pruebas efectuadas al sistema y de las comparaciones de cariotipos con las de los expertos. No se tiene este producto. 11. Un manual de usuario del sistema. No se tiene este producto. 12. Tres sesiones de capacitación para el uso del sistema. No se han realizado. b) Descripción de los productos entregables a los usuarios Un sistema de microscopia para la adquisición de y preprocesamiento de las imágenes. Un módulo de segmentación semiautomática de cromosomas fácilmente utilizable, basado en el módulo software de clasificación automática de cromosomas. c) Mecanismos de Transferencia Una vez que sean terminados los módulos de software, se hará un manual de usuario y se dará capacitación al personal del Hospital Infantil para el uso de la herramienta. d) Formación de recursos humanos Se recibieron dos estudiantes quienes realizaron el trabajo necesario para producir cada uno una tesina de ingeniería. Ver Anexo 9. Actualmente comenzara a trabajar un tesista de maestría becado por Conacyt en el desarrollo de un clasificador automático de cromosomas y ella evaluación del sistema. Ver Anexo 10. 4 4. Desviaciones y/o modificaciones a) Descripción de las desviaciones y/o modificaciones a. 1 No se ha terminado el módulo de clasificación automática de cromosomas. a.2 No se tuvieron estudiantes de maestría durante el tiempo normal del proyecto. a.3 No se han realizado las publicaciones comprometidas. a. 4 No se ha entregado el sistema funcional, con interfaz amigable, al Hospital Infantil. b) Acciones para corregir las desviaciones y/o modificaciones b. 1 Actualmente se prueban los algoritmos de clasificación automática de cromosomas. b.2 Se acaba de iniciar un proyecto de tesis de maestría, con un becario de Conacyt, cuyo Objetivo es encontrar el algoritmo de clasificación más adecuado para lidiar con el problema de la construcción del cariograma, así como la evaluación del sistema completo. Ver Anexo 10. b.3 Actualmente se prepara un artículo que abarca la segmentación individual de cromosomas. Se preparara otro artículo al finalizar la tesis de maestría. b.4 Durante el desarrollo de la tesis de maestría se integraran los módulos y se fabricara una interfaz amigable para el usuario. 5. Grupo de Trabajo Integración y desempeño La programación en lenguaje de alto nivel de los algoritmos quedo a cargo del Responsable Técnico, y del Dr. Nuno Maganda. Se tuvieron tres sesiones de trabajo semanales. 6. Trabajo restante 6.1 Enviar a publicación el artículo sobre segmentación automática de cromosomas. 6.2 Terminar y evaluar el algoritmo de clasificación. 6.3 Programar una interfaz usuario que integre todos los módulos. 6.4 Redactar un artículo para una revista indexada sobre la propuesta con todos los módulos de software integrados. 6.5 Entregar el sistema funcional al personal del laboratorio de citogenética del Hospital Infantil y realizar las actividades de transferencia. ______________________________________ 19 de marzode2015 5