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    Restauration d'images en IRM anatomique pour l'étude préclinique des marqueurs du vieillissement cérébral

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    Les maladies neurovasculaires et neurodégénératives liées à l'âge sont en forte augmentation. Alors que ces changements pathologiques montrent des effets sur le cerveau avant l'apparition de symptômes cliniques, une meilleure compréhension du processus de vieillissement normal du cerveau aidera à distinguer l'impact des pathologies connues sur la structure régionale du cerveau. En outre, la connaissance des schémas de rétrécissement du cerveau dans le vieillissement normal pourrait conduire à une meilleure compréhension de ses causes et peut-être à des interventions réduisant la perte de fonctions cérébrales associée à l'atrophie cérébrale. Par conséquent, ce projet de thèse vise à détecter les biomarqueurs du vieillissement normal et pathologique du cerveau dans un modèle de primate non humain, le singe marmouset (Callithrix Jacchus), qui possède des caractéristiques anatomiques plus proches de celles des humains que de celles des rongeurs. Cependant, les changements structurels (par exemple, de volumes, d'épaisseur corticale) qui peuvent se produire au cours de leur vie adulte peuvent être minimes à l'échelle de l'observation. Dans ce contexte, il est essentiel de disposer de techniques d'observation offrant un contraste et une résolution spatiale suffisamment élevés et permettant des évaluations détaillées des changements morphométriques du cerveau associé au vieillissement. Cependant, l'imagerie de petits cerveaux dans une plateforme IRM 3T dédiée à l'homme est une tâche difficile car la résolution spatiale et le contraste obtenus sont insuffisants par rapport à la taille des structures anatomiques observées et à l'échelle des modifications attendues. Cette thèse vise à développer des méthodes de restauration d'image pour les images IRM précliniques qui amélioreront la robustesse des algorithmes de segmentation. L'amélioration de la résolution spatiale des images à un rapport signal/bruit constant limitera les effets de volume partiel dans les voxels situés à la frontière entre deux structures et permettra une meilleure segmentation tout en augmentant la reproductibilité des résultats. Cette étape d'imagerie computationnelle est cruciale pour une analyse morphométrique longitudinale fiable basée sur les voxels et l'identification de marqueurs anatomiques du vieillissement cérébral en suivant les changements de volume dans la matière grise, la matière blanche et le liquide cérébral.Age-related neurovascular and neurodegenerative diseases are increasing significantly. While such pathological changes show effects on the brain before clinical symptoms appear, a better understanding of the normal aging brain process will help distinguish known pathologies' impact on regional brain structure. Furthermore, knowledge of the patterns of brain shrinkage in normal aging could lead to a better understanding of its causes and perhaps to interventions reducing the loss of brain functions. Therefore, this thesis project aims to detect normal and pathological brain aging biomarkers in a non-human primate model, the marmoset monkey (Callithrix Jacchus) which possesses anatomical characteristics more similar to humans than rodents. However, structural changes (e.g., volumes, cortical thickness) that may occur during their adult life may be minimal with respect to the scale of observation. In this context, it is essential to have observation techniques that offer sufficiently high contrast and spatial resolution and allow detailed assessments of the morphometric brain changes associated with aging. However, imaging small brains in a 3T MRI platform dedicated to humans is a challenging task because the spatial resolution and the contrast obtained are insufficient compared to the size of the anatomical structures observed and the scale of the xpected changes with age. This thesis aims to develop image restoration methods for preclinical MR images that will improve the robustness of the segmentation algorithms. Improving the resolution of the images at a constant signal-to-noise ratio will limit the effects of partial volume in voxels located at the border between two structures and allow a better segmentation while increasing the results' reproducibility. This computational imaging step is crucial for a reliable longitudinal voxel-based morphometric analysis and for the identification of anatomical markers of brain aging by following the volume changes in gray matter, white matter and cerebrospinal fluid

    Cluster Coding With Modified Flood Fill Algorithm For Texture Segmentation[QA1].

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    Tekstur merujuk kepada sifat yang menggambarkan permukaan atau struktur sesuatu objek dan ditakrifkan sebagai terdiri daripada unsur-unsur yang saling berhubung. Fokus utama dalam kajian ini ialah pensegmenan tekstur dalam imej digit dua dimensi. Texture refers to properties that represent the surface or structure of an object and is defined as something consisting of mutually related elements. The main focus in this study is to do texture segmentation in two dimensional (2D) digital images

    Recent Advances in Signal Processing

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    The signal processing task is a very critical issue in the majority of new technological inventions and challenges in a variety of applications in both science and engineering fields. Classical signal processing techniques have largely worked with mathematical models that are linear, local, stationary, and Gaussian. They have always favored closed-form tractability over real-world accuracy. These constraints were imposed by the lack of powerful computing tools. During the last few decades, signal processing theories, developments, and applications have matured rapidly and now include tools from many areas of mathematics, computer science, physics, and engineering. This book is targeted primarily toward both students and researchers who want to be exposed to a wide variety of signal processing techniques and algorithms. It includes 27 chapters that can be categorized into five different areas depending on the application at hand. These five categories are ordered to address image processing, speech processing, communication systems, time-series analysis, and educational packages respectively. The book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity

    Image Enhancement and Segmentation Techniques for Detection of Knee Joint Diseases: A Survey

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    Knee bone diseases are rare but might be highly destructive. Magnetic resonance imaging (MRI) is the main approach to identify knee cancer and its treatment. Normally, the knee cancers are pointed out with the help of different MRI analysis techniques and latter image analysis strategies understand these images. Computer-based medical image analysis is getting researcher's interest due to its advantages of speed and accuracy as compared to traditional techniques. The focus of current research is MRI-based medical image analysis for knee bone disease detection. Accordingly, several approaches for features extraction and segmentation for knee bone cancer are analyzed and compared on benchmark database. Finally, the current state of the art is investigated and future directions are proposed

    Pixel-level Image Fusion Algorithms for Multi-camera Imaging System

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    This thesis work is motivated by the potential and promise of image fusion technologies in the multi sensor image fusion system and applications. With specific focus on pixel level image fusion, the process after the image registration is processed, we develop graphic user interface for multi-sensor image fusion software using Microsoft visual studio and Microsoft Foundation Class library. In this thesis, we proposed and presented some image fusion algorithms with low computational cost, based upon spatial mixture analysis. The segment weighted average image fusion combines several low spatial resolution data source from different sensors to create high resolution and large size of fused image. This research includes developing a segment-based step, based upon stepwise divide and combine process. In the second stage of the process, the linear interpolation optimization is used to sharpen the image resolution. Implementation of these image fusion algorithms are completed based on the graphic user interface we developed. Multiple sensor image fusion is easily accommodated by the algorithm, and the results are demonstrated at multiple scales. By using quantitative estimation such as mutual information, we obtain the experiment quantifiable results. We also use the image morphing technique to generate fused image sequence, to simulate the results of image fusion. While deploying our pixel level image fusion algorithm approaches, we observe several challenges from the popular image fusion methods. While high computational cost and complex processing steps of image fusion algorithms provide accurate fused results, they also makes it hard to become deployed in system and applications that require real-time feedback, high flexibility and low computation abilit

    Automatic Pancreas Segmentation and 3D Reconstruction for Morphological Feature Extraction in Medical Image Analysis

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    The development of highly accurate, quantitative automatic medical image segmentation techniques, in comparison to manual techniques, remains a constant challenge for medical image analysis. In particular, segmenting the pancreas from an abdominal scan presents additional difficulties: this particular organ has very high anatomical variability, and a full inspection is problematic due to the location of the pancreas behind the stomach. Therefore, accurate, automatic pancreas segmentation can consequently yield quantitative morphological measures such as volume and curvature, supporting biomedical research to establish the severity and progression of a condition, such as type 2 diabetes mellitus. Furthermore, it can also guide subject stratification after diagnosis or before clinical trials, and help shed additional light on detecting early signs of pancreatic cancer. This PhD thesis delivers a novel approach for automatic, accurate quantitative pancreas segmentation in mostly but not exclusively Magnetic Resonance Imaging (MRI), by harnessing the advantages of machine learning and classical image processing in computer vision. The proposed approach is evaluated on two MRI datasets containing 216 and 132 image volumes, achieving a mean Dice similarity coefficient (DSC) of 84:1 4:6% and 85:7 2:3% respectively. In order to demonstrate the universality of the approach, a dataset containing 82 Computer Tomography (CT) image volumes is also evaluated and achieves mean DSC of 83:1 5:3%. The proposed approach delivers a contribution to computer science (computer vision) in medical image analysis, reporting better quantitative pancreas segmentation results in comparison to other state-of-the-art techniques, and also captures detailed pancreas boundaries as verified by two independent experts in radiology and radiography. The contributions’ impact can support the usage of computational methods in biomedical research with a clinical translation; for example, the pancreas volume provides a prognostic biomarker about the severity of type 2 diabetes mellitus. Furthermore, a generalisation of the proposed segmentation approach successfully extends to other anatomical structures, including the kidneys, liver and iliopsoas muscles using different MRI sequences. Thus, the proposed approach can incorporate into the development of a computational tool to support radiological interpretations of MRI scans obtained using different sequences by providing a “second opinion”, help reduce possible misdiagnosis, and consequently, provide enhanced guidance towards targeted treatment planning

    Medical image registration by neural networks: a regression-based registration approach

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    This thesis focuses on the development and evaluation of a registration-by-regression approach for the 3D/2D registration of coronary Computed Tomography Angiography (CTA) and X-ray angiography. This regression-based method relates image features of 2D projection images to the transformation parameters of the 3D image by a nonlinear regression. It treats registration as a regression problem, as an alternative for the traditional iterative approach that often comes with high computational costs and limited capture range. First we presented a survey of the methods with a regression-based registration approach for medical applications, as well as a summary of their main characteristics (Chapter 2). Second, we studied the registration methodology, addressing the input features and the choice of regression model (Chapter 3 and Chapter 4). For that purpose, we evaluated different options using simulated X-ray images generated from coronary artery tree models derived from 3D CTA scans. We also compared the registration-by-regression results with a method based on iterative optimization. Different image features of 2D projections and seven regression techniques were considered. The regression approach for simulated X-rays was shown to be slightly less accurate, but much more robust than the method based on an iterative optimization approach. Neural Networks obtained accurate results and showed to be robust to large initial misalignment. Third, we evaluated the registration-by-regression method using clinical data, integrating the 3D preoperative CTA of the coronary arteries with intraoperative 2D X-ray angiography images (Chapter 5). For the evaluation of the image registration, a gold standard registration was established using an exhaustive search followed by a multi-observer visual scoring procedure. The influence of preprocessing options for the simulated images and the real X-rays was studied. Several image features were also compared. The coronary registration–by-regression results were not satisfactory, resembling manual initialization accuracy. Therefore, the proposed method for this concrete problem and in its current configuration is not sufficiently accurate to be used in the clinical practice. The framework developed enables us to better understand the dependency of the proposed method on the differences between simulated and real images. The main difficulty lies in the substantial differences in appearance between the images used for training (simulated X-rays from 3D coronary models) and the actual images obtained during the intervention (real X-ray angiography). We suggest alternative solutions and recommend to evaluate the registration-by-regression approach in other applications where training data is available that has similar appearance to the eventual test data

    Deep Multimodality Image-Guided System for Assisting Neurosurgery

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    Intrakranielle Hirntumoren gehören zu den zehn häufigsten bösartigen Krebsarten und sind für eine erhebliche Morbidität und Mortalität verantwortlich. Die größte histologische Kategorie der primären Hirntumoren sind die Gliome, die ein äußerst heterogenes Erschei-nungsbild aufweisen und radiologisch schwer von anderen Hirnläsionen zu unterscheiden sind. Die Neurochirurgie ist meist die Standardbehandlung für neu diagnostizierte Gliom-Patienten und kann von einer Strahlentherapie und einer adjuvanten Temozolomid-Chemotherapie gefolgt werden. Die Hirntumorchirurgie steht jedoch vor großen Herausforderungen, wenn es darum geht, eine maximale Tumorentfernung zu erreichen und gleichzeitig postoperative neurologische Defizite zu vermeiden. Zwei dieser neurochirurgischen Herausforderungen werden im Folgenden vorgestellt. Erstens ist die manuelle Abgrenzung des Glioms einschließlich seiner Unterregionen aufgrund seines infiltrativen Charakters und des Vorhandenseins einer heterogenen Kontrastverstärkung schwierig. Zweitens verformt das Gehirn seine Form ̶ die so genannte "Hirnverschiebung" ̶ als Reaktion auf chirurgische Manipulationen, Schwellungen durch osmotische Medikamente und Anästhesie, was den Nutzen präopera-tiver Bilddaten für die Steuerung des Eingriffs einschränkt. Bildgesteuerte Systeme bieten Ärzten einen unschätzbaren Einblick in anatomische oder pathologische Ziele auf der Grundlage moderner Bildgebungsmodalitäten wie Magnetreso-nanztomographie (MRT) und Ultraschall (US). Bei den bildgesteuerten Instrumenten handelt es sich hauptsächlich um computergestützte Systeme, die mit Hilfe von Computer-Vision-Methoden die Durchführung perioperativer chirurgischer Eingriffe erleichtern. Die Chirurgen müssen jedoch immer noch den Operationsplan aus präoperativen Bildern gedanklich mit Echtzeitinformationen zusammenführen, während sie die chirurgischen Instrumente im Körper manipulieren und die Zielerreichung überwachen. Daher war die Notwendigkeit einer Bildführung während neurochirurgischer Eingriffe schon immer ein wichtiges Anliegen der Ärzte. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Systems für die peri-operative bildgeführte Neurochirurgie (IGN), nämlich DeepIGN, mit dem die erwarteten Ergebnisse der Hirntumorchirurgie erzielt werden können, wodurch die Gesamtüberle-bensrate maximiert und die postoperative neurologische Morbidität minimiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst neuartige Methoden für die Kernbestandteile des DeepIGN-Systems der Hirntumor-Segmentierung im MRT und der multimodalen präope-rativen MRT zur intraoperativen US-Bildregistrierung (iUS) unter Verwendung der jüngs-ten Entwicklungen im Deep Learning vorgeschlagen. Anschließend wird die Ergebnisvor-hersage der verwendeten Deep-Learning-Netze weiter interpretiert und untersucht, indem für den Menschen verständliche, erklärbare Karten erstellt werden. Schließlich wurden Open-Source-Pakete entwickelt und in weithin anerkannte Software integriert, die für die Integration von Informationen aus Tracking-Systemen, die Bildvisualisierung und -fusion sowie die Anzeige von Echtzeit-Updates der Instrumente in Bezug auf den Patientenbe-reich zuständig ist. Die Komponenten von DeepIGN wurden im Labor validiert und in einem simulierten Operationssaal evaluiert. Für das Segmentierungsmodul erreichte DeepSeg, ein generisches entkoppeltes Deep-Learning-Framework für die automatische Abgrenzung von Gliomen in der MRT des Gehirns, eine Genauigkeit von 0,84 in Bezug auf den Würfelkoeffizienten für das Bruttotumorvolumen. Leistungsverbesserungen wurden bei der Anwendung fort-schrittlicher Deep-Learning-Ansätze wie 3D-Faltungen über alle Schichten, regionenbasier-tes Training, fliegende Datenerweiterungstechniken und Ensemble-Methoden beobachtet. Um Hirnverschiebungen zu kompensieren, wird ein automatisierter, schneller und genauer deformierbarer Ansatz, iRegNet, für die Registrierung präoperativer MRT zu iUS-Volumen als Teil des multimodalen Registrierungsmoduls vorgeschlagen. Es wurden umfangreiche Experimente mit zwei Multi-Location-Datenbanken durchgeführt: BITE und RESECT. Zwei erfahrene Neurochirurgen führten eine zusätzliche qualitative Validierung dieser Studie durch, indem sie MRT-iUS-Paare vor und nach der deformierbaren Registrierung überlagerten. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene iRegNet schnell ist und die besten Genauigkeiten erreicht. Darüber hinaus kann das vorgeschlagene iRegNet selbst bei nicht trainierten Bildern konkurrenzfähige Ergebnisse liefern, was seine Allgemeingültigkeit unter Beweis stellt und daher für die intraoperative neurochirurgische Führung von Nutzen sein kann. Für das Modul "Erklärbarkeit" wird das NeuroXAI-Framework vorgeschlagen, um das Vertrauen medizinischer Experten in die Anwendung von KI-Techniken und tiefen neuro-nalen Netzen zu erhöhen. Die NeuroXAI umfasst sieben Erklärungsmethoden, die Visuali-sierungskarten bereitstellen, um tiefe Lernmodelle transparent zu machen. Die experimen-tellen Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene XAI-Rahmen eine gute Leistung bei der Extraktion lokaler und globaler Kontexte sowie bei der Erstellung erklärbarer Salienzkar-ten erzielt, um die Vorhersage des tiefen Netzwerks zu verstehen. Darüber hinaus werden Visualisierungskarten erstellt, um den Informationsfluss in den internen Schichten des Encoder-Decoder-Netzwerks zu erkennen und den Beitrag der MRI-Modalitäten zur end-gültigen Vorhersage zu verstehen. Der Erklärungsprozess könnte medizinischen Fachleu-ten zusätzliche Informationen über die Ergebnisse der Tumorsegmentierung liefern und somit helfen zu verstehen, wie das Deep-Learning-Modell MRT-Daten erfolgreich verar-beiten kann. Außerdem wurde ein interaktives neurochirurgisches Display für die Eingriffsführung entwickelt, das die verfügbare kommerzielle Hardware wie iUS-Navigationsgeräte und Instrumentenverfolgungssysteme unterstützt. Das klinische Umfeld und die technischen Anforderungen des integrierten multimodalen DeepIGN-Systems wurden mit der Fähigkeit zur Integration von (1) präoperativen MRT-Daten und zugehörigen 3D-Volumenrekonstruktionen, (2) Echtzeit-iUS-Daten und (3) positioneller Instrumentenver-folgung geschaffen. Die Genauigkeit dieses Systems wurde anhand eines benutzerdefi-nierten Agar-Phantom-Modells getestet, und sein Einsatz in einem vorklinischen Operati-onssaal wurde simuliert. Die Ergebnisse der klinischen Simulation bestätigten, dass die Montage des Systems einfach ist, in einer klinisch akzeptablen Zeit von 15 Minuten durchgeführt werden kann und mit einer klinisch akzeptablen Genauigkeit erfolgt. In dieser Arbeit wurde ein multimodales IGN-System entwickelt, das die jüngsten Fort-schritte im Bereich des Deep Learning nutzt, um Neurochirurgen präzise zu führen und prä- und intraoperative Patientenbilddaten sowie interventionelle Geräte in das chirurgi-sche Verfahren einzubeziehen. DeepIGN wurde als Open-Source-Forschungssoftware entwickelt, um die Forschung auf diesem Gebiet zu beschleunigen, die gemeinsame Nut-zung durch mehrere Forschungsgruppen zu erleichtern und eine kontinuierliche Weiter-entwicklung durch die Gemeinschaft zu ermöglichen. Die experimentellen Ergebnisse sind sehr vielversprechend für die Anwendung von Deep-Learning-Modellen zur Unterstützung interventioneller Verfahren - ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der chirurgi-schen Behandlung von Hirntumoren und der entsprechenden langfristigen postoperativen Ergebnisse

    Contributions of Continuous Max-Flow Theory to Medical Image Processing

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    Discrete graph cuts and continuous max-flow theory have created a paradigm shift in many areas of medical image processing. As previous methods limited themselves to analytically solvable optimization problems or guaranteed only local optimizability to increasingly complex and non-convex functionals, current methods based now rely on describing an optimization problem in a series of general yet simple functionals with a global, but non-analytic, solution algorithms. This has been increasingly spurred on by the availability of these general-purpose algorithms in an open-source context. Thus, graph-cuts and max-flow have changed every aspect of medical image processing from reconstruction to enhancement to segmentation and registration. To wax philosophical, continuous max-flow theory in particular has the potential to bring a high degree of mathematical elegance to the field, bridging the conceptual gap between the discrete and continuous domains in which we describe different imaging problems, properties and processes. In Chapter 1, we use the notion of infinitely dense and infinitely densely connected graphs to transfer between the discrete and continuous domains, which has a certain sense of mathematical pedantry to it, but the resulting variational energy equations have a sense of elegance and charm. As any application of the principle of duality, the variational equations have an enigmatic side that can only be decoded with time and patience. The goal of this thesis is to show the contributions of max-flow theory through image enhancement and segmentation, increasing incorporation of topological considerations and increasing the role played by user knowledge and interactivity. These methods will be rigorously grounded in calculus of variations, guaranteeing fuzzy optimality and providing multiple solution approaches to addressing each individual problem

    Three--dimensional medical imaging: Algorithms and computer systems

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    This paper presents an introduction to the field of three-dimensional medical imaging It presents medical imaging terms and concepts, summarizes the basic operations performed in three-dimensional medical imaging, and describes sample algorithms for accomplishing these operations. The paper contains a synopsis of the architectures and algorithms used in eight machines to render three-dimensional medical images, with particular emphasis paid to their distinctive contributions. It compares the performance of the machines along several dimensions, including image resolution, elapsed time to form an image, imaging algorithms used in the machine, and the degree of parallelism used in the architecture. The paper concludes with general trends for future developments in this field and references on three-dimensional medical imaging
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