Pathological Evidence Exploration in Deep Retinal Image Diagnosis

Though deep learning has shown successful performance in classifying the label and severity stage of certain disease, most of them give few evidence on how to make prediction. Here, we propose to exploit the interpretability of deep learning application in medical diagnosis. Inspired by Koch's Postulates, a well-known strategy in medical research to identify the property of pathogen, we define a pathological descriptor that can be extracted from the activated neurons of a diabetic retinopathy detector. To visualize the symptom and feature encoded in this descriptor, we propose a GAN based method to synthesize pathological retinal image given the descriptor and a binary vessel segmentation. Besides, with this descriptor, we can arbitrarily manipulate the position and quantity of lesions. As verified by a panel of 5 licensed ophthalmologists, our synthesized images carry the symptoms that are directly related to diabetic retinopathy diagnosis. The panel survey also shows that our generated images is both qualitatively and quantitatively superior to existing methods.Comment: to appear in AAAI (2019). The first two authors contributed equally to the paper. Corresponding Author: Feng L

Joint segmentation and classification of retinal arteries/veins from fundus images

Objective Automatic artery/vein (A/V) segmentation from fundus images is required to track blood vessel changes occurring with many pathologies including retinopathy and cardiovascular pathologies. One of the clinical measures that quantifies vessel changes is the arterio-venous ratio (AVR) which represents the ratio between artery and vein diameters. This measure significantly depends on the accuracy of vessel segmentation and classification into arteries and veins. This paper proposes a fast, novel method for semantic A/V segmentation combining deep learning and graph propagation. Methods A convolutional neural network (CNN) is proposed to jointly segment and classify vessels into arteries and veins. The initial CNN labeling is propagated through a graph representation of the retinal vasculature, whose nodes are defined as the vessel branches and edges are weighted by the cost of linking pairs of branches. To efficiently propagate the labels, the graph is simplified into its minimum spanning tree. Results The method achieves an accuracy of 94.8% for vessels segmentation. The A/V classification achieves a specificity of 92.9% with a sensitivity of 93.7% on the CT-DRIVE database compared to the state-of-the-art-specificity and sensitivity, both of 91.7%. Conclusion The results show that our method outperforms the leading previous works on a public dataset for A/V classification and is by far the fastest. Significance The proposed global AVR calculated on the whole fundus image using our automatic A/V segmentation method can better track vessel changes associated to diabetic retinopathy than the standard local AVR calculated only around the optic disc.Comment: Preprint accepted in Artificial Intelligence in Medicin

Técnicas de análise de imagens para detecção de retinopatia diabética

Orientadores: Anderson de Rezende Rocha. Jacques WainerTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Retinopatia Diabética (RD) é uma complicação a longo prazo do diabetes e a principal causa de cegueira da população ativa. Consultas regulares são necessárias para diagnosticar a retinopatia em um estágio inicial, permitindo um tratamento com o melhor prognóstico capaz de retardar ou até mesmo impedir a cegueira. Alavancados pela evolução da prevalência do diabetes e pelo maior risco que os diabéticos têm de desenvolver doenças nos olhos, diversos trabalhos com abordagens bem estabelecidas e promissoras vêm sendo desenvolvidos para triagem automática de retinopatia. Entretanto, a maior parte dos trabalhos está focada na detecção de lesões utilizando características visuais particulares de cada tipo de lesão. Além do mais, soluções artesanais para avaliação de necessidade de consulta e de identificação de estágios da retinopatia ainda dependem bastante das lesões, cujo repetitivo procedimento de detecção é complexo e inconveniente, mesmo se um esquema unificado for adotado. O estado da arte para avaliação automatizada de necessidade de consulta é composto por abordagens que propõem uma representação altamente abstrata obtida inteiramente por meio dos dados. Usualmente, estas abordagens recebem uma imagem e produzem uma resposta ¿ que pode ser resultante de um único modelo ou de uma combinação ¿ e não são facilmente explicáveis. Este trabalho objetivou melhorar a detecção de lesões e reforçar decisões relacionadas à necessidade de consulta, fazendo uso de avançadas representações de imagens em duas etapas. Nós também almejamos compor um modelo sofisticado e direcionado pelos dados para triagem de retinopatia, bem como incorporar aprendizado supervisionado de características com representação orientada por mapa de calor, resultando em uma abordagem robusta e ainda responsável para triagem automatizada. Finalmente, tivemos como objetivo a integração das soluções em dispositivos portáteis de captura de imagens de retina. Para detecção de lesões, propusemos abordagens de caracterização de imagens que possibilitem uma detecção eficaz de diferentes tipos de lesões. Nossos principais avanços estão centrados na modelagem de uma nova técnica de codificação para imagens de retina, bem como na preservação de informações no processo de pooling ou agregação das características obtidas. Decidir automaticamente pela necessidade de encaminhamento do paciente a um especialista é uma investigação ainda mais difícil e muito debatida. Nós criamos um método mais simples e robusto para decisões de necessidade de consulta, e que não depende da detecção de lesões. Também propusemos um modelo direcionado pelos dados que melhora significativamente o desempenho na tarefa de triagem da RD. O modelo produz uma resposta confiável com base em respostas (locais e globais), bem como um mapa de ativação que permite uma compreensão de importância de cada pixel para a decisão. Exploramos a metodologia de explicabilidade para criar um descritor local codificado em uma rica representação em nível médio. Os modelos direcionados pelos dados são o estado da arte para triagem de retinopatia diabética. Entretanto, mapas de ativação são essenciais para interpretar o aprendizado em termos de importância de cada pixel e para reforçar pequenas características discriminativas que têm potencial de melhorar o diagnósticoAbstract: Diabetic Retinopathy (DR) is a long-term complication of diabetes and the leading cause of blindness among working-age adults. A regular eye examination is necessary to diagnose DR at an early stage, when it can be treated with the best prognosis and the visual loss delayed or deferred. Leveraged by the continuous expansion of diabetics and by the increased risk that those people have to develop eye diseases, several works with well-established and promising approaches have been proposed for automatic screening. Therefore, most existing art focuses on lesion detection using visual characteristics specific to each type of lesion. Additionally, handcrafted solutions for referable diabetic retinopathy detection and DR stages identification still depend too much on the lesions, whose repetitive detection is complex and cumbersome to implement, even when adopting a unified detection scheme. Current art for automated referral assessment resides on highly abstract data-driven approaches. Usually, those approaches receive an image and spit the response out ¿ that might be resulting from only one model or ensembles ¿ and are not easily explainable. Hence, this work aims at enhancing lesion detection and reinforcing referral decisions with advanced handcrafted two-tiered image representations. We also intended to compose sophisticated data-driven models for referable DR detection and incorporate supervised learning of features with saliency-oriented mid-level image representations to come up with a robust yet accountable automated screening approach. Ultimately, we aimed at integrating our software solutions with simple retinal imaging devices. In the lesion detection task, we proposed advanced handcrafted image characterization approaches to detecting effectively different lesions. Our leading advances are centered on designing a novel coding technique for retinal images and preserving information in the pooling process. Automatically deciding on whether or not the patient should be referred to the ophthalmic specialist is a more difficult, and still hotly debated research aim. We designed a simple and robust method for referral decisions that does not rely upon lesion detection stages. We also proposed a novel and effective data-driven model that significantly improves the performance for DR screening. Our accountable data-driven model produces a reliable (local- and global-) response along with a heatmap/saliency map that enables pixel-based importance comprehension. We explored this methodology to create a local descriptor that is encoded into a rich mid-level representation. Data-driven methods are the state of the art for diabetic retinopathy screening. However, saliency maps are essential not only to interpret the learning in terms of pixel importance but also to reinforce small discriminative characteristics that have the potential to enhance the diagnosticDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da ComputaçãoCAPE