Deep Learning Techniques for Automated Analysis and Processing of High Resolution Medical Imaging

Programa Oficial de Doutoramento en Computación . 5009V01[Abstract] Medical imaging plays a prominent role in modern clinical practice for numerous medical specialties. For instance, in ophthalmology, different imaging techniques are commonly used to visualize and study the eye fundus. In this context, automated image analysis methods are key towards facilitating the early diagnosis and adequate treatment of several diseases. Nowadays, deep learning algorithms have already demonstrated a remarkable performance for different image analysis tasks. However, these approaches typically require large amounts of annotated data for the training of deep neural networks. This complicates the adoption of deep learning approaches, especially in areas where large scale annotated datasets are harder to obtain, such as in medical imaging. This thesis aims to explore novel approaches for the automated analysis of medical images, particularly in ophthalmology. In this regard, the main focus is on the development of novel deep learning-based approaches that do not require large amounts of annotated training data and can be applied to high resolution images. For that purpose, we have presented a novel paradigm that allows to take advantage of unlabeled complementary image modalities for the training of deep neural networks. Additionally, we have also developed novel approaches for the detailed analysis of eye fundus images. In that regard, this thesis explores the analysis of relevant retinal structures as well as the diagnosis of different retinal diseases. In general, the developed algorithms provide satisfactory results for the analysis of the eye fundus, even when limited annotated training data is available.[Resumen] Las técnicas de imagen tienen un papel destacado en la práctica clínica moderna de numerosas especialidades médicas. Por ejemplo, en oftalmología es común el uso de diferentes técnicas de imagen para visualizar y estudiar el fondo de ojo. En este contexto, los métodos automáticos de análisis de imagen son clave para facilitar el diagnóstico precoz y el tratamiento adecuado de diversas enfermedades. En la actualidad, los algoritmos de aprendizaje profundo ya han demostrado un notable rendimiento en diferentes tareas de análisis de imagen. Sin embargo, estos métodos suelen necesitar grandes cantidades de datos etiquetados para el entrenamiento de las redes neuronales profundas. Esto complica la adopción de los métodos de aprendizaje profundo, especialmente en áreas donde los conjuntos masivos de datos etiquetados son más difíciles de obtener, como es el caso de la imagen médica. Esta tesis tiene como objetivo explorar nuevos métodos para el análisis automático de imagen médica, concretamente en oftalmología. En este sentido, el foco principal es el desarrollo de nuevos métodos basados en aprendizaje profundo que no requieran grandes cantidades de datos etiquetados para el entrenamiento y puedan aplicarse a imágenes de alta resolución. Para ello, hemos presentado un nuevo paradigma que permite aprovechar modalidades de imagen complementarias no etiquetadas para el entrenamiento de redes neuronales profundas. Además, también hemos desarrollado nuevos métodos para el análisis en detalle de las imágenes del fondo de ojo. En este sentido, esta tesis explora el análisis de estructuras retinianas relevantes, así como el diagnóstico de diferentes enfermedades de la retina. En general, los algoritmos desarrollados proporcionan resultados satisfactorios para el análisis de las imágenes de fondo de ojo, incluso cuando la disponibilidad de datos de entrenamiento etiquetados es limitada.[Resumo] As técnicas de imaxe teñen un papel destacado na práctica clínica moderna de numerosas especialidades médicas. Por exemplo, en oftalmoloxía é común o uso de diferentes técnicas de imaxe para visualizar e estudar o fondo de ollo. Neste contexto, os métodos automáticos de análises de imaxe son clave para facilitar o diagn ostico precoz e o tratamento adecuado de diversas enfermidades. Na actualidade, os algoritmos de aprendizaxe profunda xa demostraron un notable rendemento en diferentes tarefas de análises de imaxe. Con todo, estes métodos adoitan necesitar grandes cantidades de datos etiquetos para o adestramento das redes neuronais profundas. Isto complica a adopción dos métodos de aprendizaxe profunda, especialmente en áreas onde os conxuntos masivos de datos etiquetados son máis difíciles de obter, como é o caso da imaxe médica. Esta tese ten como obxectivo explorar novos métodos para a análise automática de imaxe médica, concretamente en oftalmoloxía. Neste sentido, o foco principal é o desenvolvemento de novos métodos baseados en aprendizaxe profunda que non requiran grandes cantidades de datos etiquetados para o adestramento e poidan aplicarse a imaxes de alta resolución. Para iso, presentamos un novo paradigma que permite aproveitar modalidades de imaxe complementarias non etiquetadas para o adestramento de redes neuronais profundas. Ademais, tamén desenvolvemos novos métodos para a análise en detalle das imaxes do fondo de ollo. Neste sentido, esta tese explora a análise de estruturas retinianas relevantes, así como o diagnóstico de diferentes enfermidades da retina. En xeral, os algoritmos desenvolvidos proporcionan resultados satisfactorios para a análise das imaxes de fondo de ollo, mesmo cando a dispoñibilidade de datos de adestramento etiquetados é limitada

Fundus image analysis for automatic screening of ophthalmic pathologies

En los ultimos años el número de casos de ceguera se ha reducido significativamente. A pesar de este hecho, la Organización Mundial de la Salud estima que un 80% de los casos de pérdida de visión (285 millones en 2010) pueden ser evitados si se diagnostican en sus estadios más tempranos y son tratados de forma efectiva. Para cumplir esta propuesta se pretende que los servicios de atención primaria incluyan un seguimiento oftalmológico de sus pacientes así como fomentar campañas de cribado en centros proclives a reunir personas de alto riesgo. Sin embargo, estas soluciones exigen una alta carga de trabajo de personal experto entrenado en el análisis de los patrones anómalos propios de cada enfermedad. Por lo tanto, el desarrollo de algoritmos para la creación de sistemas de cribado automáticos juga un papel vital en este campo. La presente tesis persigue la identificacion automática del daño retiniano provocado por dos de las patologías más comunes en la sociedad actual: la retinopatía diabética (RD) y la degenaración macular asociada a la edad (DMAE). Concretamente, el objetivo final de este trabajo es el desarrollo de métodos novedosos basados en la extracción de características de la imagen de fondo de ojo y clasificación para discernir entre tejido sano y patológico. Además, en este documento se proponen algoritmos de pre-procesado con el objetivo de normalizar la alta variabilidad existente en las bases de datos publicas de imagen de fondo de ojo y eliminar la contribución de ciertas estructuras retinianas que afectan negativamente en la detección del daño retiniano. A diferencia de la mayoría de los trabajos existentes en el estado del arte sobre detección de patologías en imagen de fondo de ojo, los métodos propuestos a lo largo de este manuscrito evitan la necesidad de segmentación de las lesiones o la generación de un mapa de candidatos antes de la fase de clasificación. En este trabajo, Local binary patterns, perfiles granulométricos y la dimensión fractal se aplican de manera local para extraer información de textura, morfología y tortuosidad de la imagen de fondo de ojo. Posteriormente, esta información se combina de diversos modos formando vectores de características con los que se entrenan avanzados métodos de clasificación formulados para discriminar de manera óptima entre exudados, microaneurismas, hemorragias y tejido sano. Mediante diversos experimentos, se valida la habilidad del sistema propuesto para identificar los signos más comunes de la RD y DMAE. Para ello se emplean bases de datos públicas con un alto grado de variabilidad sin exlcuir ninguna imagen. Además, la presente tesis también cubre aspectos básicos del paradigma de deep learning. Concretamente, se presenta un novedoso método basado en redes neuronales convolucionales (CNNs). La técnica de transferencia de conocimiento se aplica mediante el fine-tuning de las arquitecturas de CNNs más importantes en el estado del arte. La detección y localización de exudados mediante redes neuronales se lleva a cabo en los dos últimos experimentos de esta tesis doctoral. Cabe destacar que los resultados obtenidos mediante la extracción de características "manual" y posterior clasificación se comparan de forma objetiva con las predicciones obtenidas por el mejor modelo basado en CNNs. Los prometedores resultados obtenidos en esta tesis y el bajo coste y portabilidad de las cámaras de adquisión de imagen de retina podrían facilitar la incorporación de los algoritmos desarrollados en este trabajo en un sistema de cribado automático que ayude a los especialistas en la detección de patrones anomálos característicos de las dos enfermedades bajo estudio: RD y DMAE.In last years, the number of blindness cases has been significantly reduced. Despite this promising news, the World Health Organisation estimates that 80% of visual impairment (285 million cases in 2010) could be avoided if diagnosed and treated early. To accomplish this purpose, eye care services need to be established in primary health and screening campaigns should be a common task in centres with people at risk. However, these solutions entail a high workload for trained experts in the analysis of the anomalous patterns of each eye disease. Therefore, the development of algorithms for automatic screening system plays a vital role in this field. This thesis focuses on the automatic identification of the retinal damage provoked by two of the most common pathologies in the current society: diabetic retinopathy (DR) and age-related macular degeneration (AMD). Specifically, the final goal of this work is to develop novel methods, based on fundus image description and classification, to characterise the healthy and abnormal tissue in the retina background. In addition, pre-processing algorithms are proposed with the aim of normalising the high variability of fundus images and removing the contribution of some retinal structures that could hinder in the retinal damage detection. In contrast to the most of the state-of-the-art works in damage detection using fundus images, the methods proposed throughout this manuscript avoid the necessity of lesion segmentation or the candidate map generation before the classification stage. Local binary patterns, granulometric profiles and fractal dimension are locally computed to extract texture, morphological and roughness information from retinal images. Different combinations of this information feed advanced classification algorithms formulated to optimally discriminate exudates, microaneurysms, haemorrhages and healthy tissues. Through several experiments, the ability of the proposed system to identify DR and AMD signs is validated using different public databases with a large degree of variability and without image exclusion. Moreover, this thesis covers the basics of the deep learning paradigm. In particular, a novel approach based on convolutional neural networks is explored. The transfer learning technique is applied to fine-tune the most important state-of-the-art CNN architectures. Exudate detection and localisation tasks using neural networks are carried out in the last two experiments of this thesis. An objective comparison between the hand-crafted feature extraction and classification process and the prediction models based on CNNs is established. The promising results of this PhD thesis and the affordable cost and portability of retinal cameras could facilitate the further incorporation of the developed algorithms in a computer-aided diagnosis (CAD) system to help specialists in the accurate detection of anomalous patterns characteristic of the two diseases under study: DR and AMD.En els últims anys el nombre de casos de ceguera s'ha reduït significativament. A pesar d'este fet, l'Organització Mundial de la Salut estima que un 80% dels casos de pèrdua de visió (285 milions en 2010) poden ser evitats si es diagnostiquen en els seus estadis més primerencs i són tractats de forma efectiva. Per a complir esta proposta es pretén que els servicis d'atenció primària incloguen un seguiment oftalmològic dels seus pacients així com fomentar campanyes de garbellament en centres regentats per persones d'alt risc. No obstant això, estes solucions exigixen una alta càrrega de treball de personal expert entrenat en l'anàlisi dels patrons anòmals propis de cada malaltia. Per tant, el desenrotllament d'algoritmes per a la creació de sistemes de garbellament automàtics juga un paper vital en este camp. La present tesi perseguix la identificació automàtica del dany retiniano provocat per dos de les patologies més comunes en la societat actual: la retinopatia diabètica (RD) i la degenaración macular associada a l'edat (DMAE) . Concretament, l'objectiu final d'este treball és el desenrotllament de mètodes novedodos basats en l'extracció de característiques de la imatge de fons d'ull i classificació per a discernir entre teixit sa i patològic. A més, en este document es proposen algoritmes de pre- processat amb l'objectiu de normalitzar l'alta variabilitat existent en les bases de dades publiques d'imatge de fons d'ull i eliminar la contribució de certes estructures retinianas que afecten negativament en la detecció del dany retiniano. A diferència de la majoria dels treballs existents en l'estat de l'art sobre detecció de patologies en imatge de fons d'ull, els mètodes proposats al llarg d'este manuscrit eviten la necessitat de segmentació de les lesions o la generació d'un mapa de candidats abans de la fase de classificació. En este treball, Local binary patterns, perfils granulometrics i la dimensió fractal s'apliquen de manera local per a extraure informació de textura, morfologia i tortuositat de la imatge de fons d'ull. Posteriorment, esta informació es combina de diversos modes formant vectors de característiques amb els que s'entrenen avançats mètodes de classificació formulats per a discriminar de manera òptima entre exsudats, microaneurismes, hemorràgies i teixit sa. Per mitjà de diversos experiments, es valida l'habilitat del sistema proposat per a identificar els signes més comuns de la RD i DMAE. Per a això s'empren bases de dades públiques amb un alt grau de variabilitat sense exlcuir cap imatge. A més, la present tesi també cobrix aspectes bàsics del paradigma de deep learning. Concretament, es presenta un nou mètode basat en xarxes neuronals convolucionales (CNNs) . La tècnica de transferencia de coneixement s'aplica per mitjà del fine-tuning de les arquitectures de CNNs més importants en l'estat de l'art. La detecció i localització d'exudats per mitjà de xarxes neuronals es du a terme en els dos últims experiments d'esta tesi doctoral. Cal destacar que els resultats obtinguts per mitjà de l'extracció de característiques "manual" i posterior classificació es comparen de forma objectiva amb les prediccions obtingudes pel millor model basat en CNNs. Els prometedors resultats obtinguts en esta tesi i el baix cost i portabilitat de les cambres d'adquisión d'imatge de retina podrien facilitar la incorporació dels algoritmes desenrotllats en este treball en un sistema de garbellament automàtic que ajude als especialistes en la detecció de patrons anomálos característics de les dos malalties baix estudi: RD i DMAE.Colomer Granero, A. (2018). Fundus image analysis for automatic screening of ophthalmic pathologies [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/99745TESI

Histogram of Oriented Gradients Meet Deep Learning: A Novel Multi-task Deep Network for Medical Image Semantic Segmentation

We present our novel deep multi-task learning method for medical image segmentation. Existing multi-task methods demand ground truth annotations for both the primary and auxiliary tasks. Contrary to it, we propose to generate the pseudo-labels of an auxiliary task in an unsupervised manner. To generate the pseudo-labels, we leverage Histogram of Oriented Gradients (HOGs), one of the most widely used and powerful hand-crafted features for detection. Together with the ground truth semantic segmentation masks for the primary task and pseudo-labels for the auxiliary task, we learn the parameters of the deep network to minimise the loss of both the primary task and the auxiliary task jointly. We employed our method on two powerful and widely used semantic segmentation networks: UNet and U2Net to train in a multi-task setup. To validate our hypothesis, we performed experiments on two different medical image segmentation data sets. From the extensive quantitative and qualitative results, we observe that our method consistently improves the performance compared to the counter-part method. Moreover, our method is the winner of FetReg Endovis Sub-challenge on Semantic Segmentation organised in conjunction with MICCAI 2021

Aspectos do rastreamento do glaucoma auxiliados por técnicas automatizadas em imagens com menor qualidade do disco óptico

O glaucoma é uma neuropatia óptica cuja progressão pode levar a cegueira. Representa a principal causa de perda visual de caráter irreversível em todo o mundo para homens e mulheres. A detecção precoce através de programas de rastreamento feita por especialistas é baseada nas características do nervo óptico, em biomarcadores oftalmológicos (destacando-se a pressão ocular) e exames subsidiários, com destaque ao campo visual e OCT. Após o reconhecimento dos casos é feito o tratamento com finalidade de estacionar a progressão da doença e melhorar a qualidade de vida dos pacientes. Contudo, estes programas têm limitações, principalmente em locais mais distantes dos grandes centros de tratamento especializado, insuficiência de equipamentos básicos e pessoal especializado para oferecer o rastreamento a toda a população, faltam meios para locomoção a estes centros, desinformação e desconhecimento da doença, além de características de progressão assintomática da doença. Esta tese aborda soluções inovadoras que podem contribuir para a automação do rastreamento do glaucoma utilizando aparelhos portáteis e mais baratos, considerando as necessidades reais dos clínicos durante o rastreamento. Para isso foram realizadas revisões sistemáticas sobre os métodos e equipamentos para apoio à triagem automática do glaucoma e os métodos de aprendizado profundo para a segmentação e classificação aplicáveis. Também foi feito um levantamento de questões médicas relativas à triagem do glaucoma e associá-las ao campo da inteligência artificial, para dar mais sentido as metodologias automatizadas. Além disso, foi criado um banco de dados privado, com vídeos e imagens de retina adquiridos por um smartphone acoplado a lente de baixo custo para o rastreamento do glaucoma e avaliado com métodos do estado da arte. Foram avaliados e analisados métodos de detecção automática de glaucoma utilizando métodos de aprendizado profundo de segmentação do disco e do copo óptico em banco de dados públicos de imagens de retina. Finalmente, foram avaliadas técnicas de mosaico e de detecção da cabeça do nervo óptico em imagens de baixa qualidade obtidas para pré-processamento de imagens adquiridas por smartphones acoplados a lente de baixo custo.Glaucoma is an optic neuropathy whose progression can lead to blindness. It represents the leading cause of irreversible visual loss worldwide for men and women. Early detection through screening programs carried out by specialists is based on the characteristics of the optic papilla, ophthalmic biomarkers (especially eye pressure), and subsidiary exams, emphasizing the visual field and optical coherence tomography (OCT). After recognizing the cases, the treatment is carried out to stop the progression of the disease and improve the quality of patients’ life. However, these screening programs have limitations, particularly in places further away from the sizeable, specialized treatment centers, due to the lack of essential equipment and technical personnel to offer screening to the entire population, due to the lack of means of transport to these centers, due to lack of information and lack of knowledge about the disease, considering the characteristics of asymptomatic progression of the disease. This thesis aims to develop innovative approaches to contribute to the automation of glaucoma screening using portable and cheaper devices, considering the real needs of clinicians during screening. For this, systematic reviews were carried out on the methods and equipment to support automatic glaucoma screening, and the applicable deep learning methods for segmentation and classification. A survey of medical issues related to glaucoma screening was carried out and associated with the field of artificial intelligence to make automated methodologies more effective. In addition, a private dataset was created, with videos and retina images acquired using a low-cost lens-coupled cell phone, for glaucoma screening and evaluated with state-of-the-art methods. Methods of automatic detection of glaucoma using deep learning methods of segmentation of the disc and optic cup were evaluated and analyzed in a public database of retinal images. In the case of deep learning classification methods, these were evaluated in public databases of retina images and in a private database with low-cost images. Finally, mosaic and object detection techniques were evaluated in low-quality images obtained for pre-processing images acquired by cell phones coupled with low-cost lenses

A retinal vasculature tracking system guided by a deep architecture

Many diseases such as diabetic retinopathy (DR) and cardiovascular diseases show their early signs on retinal vasculature. Analysing the vasculature in fundus images may provide a tool for ophthalmologists to diagnose eye-related diseases and to monitor their progression. These analyses may also facilitate the discovery of new relations between changes on retinal vasculature and the existence or progression of related diseases or to validate present relations. In this thesis, a data driven method, namely a Translational Deep Belief Net (a TDBN), is adapted to vasculature segmentation. The segmentation performance of the TDBN on low resolution images was found to be comparable to that of the best-performing methods. Later, this network is used for the implementation of super-resolution for the segmentation of high resolution images. This approach provided an acceleration during segmentation, which relates to down-sampling ratio of an input fundus image. Finally, the TDBN is extended for the generation of probability maps for the existence of vessel parts, namely vessel interior, centreline, boundary and crossing/bifurcation patterns in centrelines. These probability maps are used to guide a probabilistic vasculature tracking system. Although segmentation can provide vasculature existence in a fundus image, it does not give quantifiable measures for vasculature. The latter has more practical value in medical clinics. In the second half of the thesis, a retinal vasculature tracking system is presented. This system uses Particle Filters to describe vessel morphology and topology. Apart from previous studies, the guidance for tracking is provided with the combination of probability maps generated by the TDBN. The experiments on a publicly available dataset, REVIEW, showed that the consistency of vessel widths predicted by the proposed method was better than that obtained from observers. Moreover, very noisy and low contrast vessel boundaries, which were hardly identifiable to the naked eye, were accurately estimated by the proposed tracking system. Also, bifurcation/crossing locations during the course of tracking were detected almost completely. Considering these promising initial results, future work involves analysing the performance of the tracking system on automatic detection of complete vessel networks in fundus images.Open Acces

XXIV congreso anual de la sociedad española de ingeniería biomédica (CASEIB2016)

En la presente edición, más de 150 trabajos de alto nivel científico van a ser presentados en 18 sesiones paralelas y 3 sesiones de póster, que se centrarán en áreas relevantes de la Ingeniería Biomédica. Entre las sesiones paralelas se pueden destacar la sesión plenaria Premio José María Ferrero Corral y la sesión de Competición de alumnos de Grado en Ingeniería Biomédica, con la participación de 16 alumnos de los Grados en Ingeniería Biomédica a nivel nacional. El programa científico se complementa con dos ponencias invitadas de científicos reconocidos internacionalmente, dos mesas redondas con una importante participación de sociedades científicas médicas y de profesionales de la industria de tecnología médica, y dos actos sociales que permitirán a los participantes acercarse a la historia y cultura valenciana. Por primera vez, en colaboración con FENIN, seJane Campos, R. (2017). XXIV congreso anual de la sociedad española de ingeniería biomédica (CASEIB2016). Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/79277EDITORIA