Blood vessel enhancement via multi-dictionary and sparse coding: Application to retinal vessel enhancing

International audienceBlood vessel images can provide considerable information of many diseases, which are widely used by ophthalmologists for disease diagnosis and surgical planning. In this paper, we propose a novel method for the blood Vessel Enhancement via Multi-dictionary and Sparse Coding (VE-MSC). In the proposed method, two dictionaries are utilized to gain the vascular structures and details, including the Representation Dictionary (RD) generated from the original vascular images and the Enhancement Dictionary (ED) extracted from the corresponding label images. The sparse coding technology is utilized to represent the original target vessel image with RD. After that, the enhanced target vessel image can be reconstructed using the obtained sparse coefficients and ED. The proposed method has been evaluated for the retinal vessel enhancement on the DRIVE and STARE databases. Experimental results indicate that the proposed method can not only effectively improve the image contrast but also enhance the retinal vascular structures and details

Unsupervised Retinal Blood Vessel Segmentation Technique using pdAPSO and Difference Image Methods for Detection of Diabetic Retinopathy

Retinal vessel segmentation is a practice that has the potential of enhancing accuracy in the diagnosis and timely prevention of illnesses that are related to blood vessels. Acute damage to the retinal vessel has been identified to be the main cause of blindness and impaired vision. A timely detection and control of these illnesses can greatly decrease the number of loss of sight cases. However, the manual protocol for such detection is laborious and although autonomous methods have been recommended, the accuracy of these methods is often unreliable. We propose the utilization of the Primal-Dual Asynchronous Particle Swarm Optimisation (pdAPSO) and differential image methods in addressing the drawbacks associated with segmentation of retinal vessels in this study. The fusion of pdAPSO and differential image (which focuses on the median filter) produced a significant enhancement in the segmentation of huge and miniscule retinal vessels. In addition, the method also decreased erroneous detection near the edge of the retinal (that is not sensitive to light). The results are favourable for the median filter when compared to mean filter and Gaussian filter. The accuracy rate of 0.9559 (with a specificity of sensitivity rate of 0.9855), and a sensitivity rate of 0.7218 were obtained when tested using the Digital Retinal Images for Vessel Extraction database. The above result is a pointer that our approach will help in detecting and diagnosing the damage done to the retinal and thereby preventing loss of sight

Computational Analysis of Fundus Images: Rule-Based and Scale-Space Models

Fundus images are one of the most important imaging examinations in modern ophthalmology because they are simple, inexpensive and, above all, noninvasive. Nowadays, the acquisition and storage of highresolution fundus images is relatively easy and fast. Therefore, fundus imaging has become a fundamental investigation in retinal lesion detection, ocular health monitoring and screening programmes. Given the large volume and clinical complexity associated with these images, their analysis and interpretation by trained clinicians becomes a timeconsuming task and is prone to human error. Therefore, there is a growing interest in developing automated approaches that are affordable and have high sensitivity and specificity. These automated approaches need to be robust if they are to be used in the general population to diagnose and track retinal diseases. To be effective, the automated systems must be able to recognize normal structures and distinguish them from pathological clinical manifestations. The main objective of the research leading to this thesis was to develop automated systems capable of recognizing and segmenting retinal anatomical structures and retinal pathological clinical manifestations associated with the most common retinal diseases. In particular, these automated algorithms were developed on the premise of robustness and efficiency to deal with the difficulties and complexity inherent in these images. Four objectives were considered in the analysis of fundus images. Segmentation of exudates, localization of the optic disc, detection of the midline of blood vessels, segmentation of the vascular network and detection of microaneurysms. In addition, we also evaluated the detection of diabetic retinopathy on fundus images using the microaneurysm detection method. An overview of the state of the art is presented to compare the performance of the developed approaches with the main methods described in the literature for each of the previously described objectives. To facilitate the comparison of methods, the state of the art has been divided into rulebased methods and machine learningbased methods. In the research reported in this paper, rulebased methods based on image processing methods were preferred over machine learningbased methods. In particular, scalespace methods proved to be effective in achieving the set goals. Two different approaches to exudate segmentation were developed. The first approach is based on scalespace curvature in combination with the local maximum of a scalespace blob detector and dynamic thresholds. The second approach is based on the analysis of the distribution function of the maximum values of the noise map in combination with morphological operators and adaptive thresholds. Both approaches perform a correct segmentation of the exudates and cope well with the uneven illumination and contrast variations in the fundus images. Optic disc localization was achieved using a new technique called cumulative sum fields, which was combined with a vascular enhancement method. The algorithm proved to be reliable and efficient, especially for pathological images. The robustness of the method was tested on 8 datasets. The detection of the midline of the blood vessels was achieved using a modified corner detector in combination with binary philtres and dynamic thresholding. Segmentation of the vascular network was achieved using a new scalespace blood vessels enhancement method. The developed methods have proven effective in detecting the midline of blood vessels and segmenting vascular networks. The microaneurysm detection method relies on a scalespace microaneurysm detection and labelling system. A new approach based on the neighbourhood of the microaneurysms was used for labelling. Microaneurysm detection enabled the assessment of diabetic retinopathy detection. The microaneurysm detection method proved to be competitive with other methods, especially with highresolution images. Diabetic retinopathy detection with the developed microaneurysm detection method showed similar performance to other methods and human experts. The results of this work show that it is possible to develop reliable and robust scalespace methods that can detect various anatomical structures and pathological features of the retina. Furthermore, the results obtained in this work show that although recent research has focused on machine learning methods, scalespace methods can achieve very competitive results and typically have greater independence from image acquisition. The methods developed in this work may also be relevant for the future definition of new descriptors and features that can significantly improve the results of automated methods.As imagens do fundo do olho são hoje um dos principais exames imagiológicos da oftalmologia moderna, pela sua simplicidade, baixo custo e acima de tudo pelo seu carácter nãoinvasivo. A aquisição e armazenamento de imagens do fundo do olho com alta resolução é também relativamente simples e rápida. Desta forma, as imagens do fundo do olho são um exame fundamental na identificação de alterações retinianas, monitorização da saúde ocular, e em programas de rastreio. Considerando o elevado volume e complexidade clínica associada a estas imagens, a análise e interpretação das mesmas por clínicos treinados tornase uma tarefa morosa e propensa a erros humanos. Assim, há um interesse crescente no desenvolvimento de abordagens automatizadas, acessíveis em custo, e com uma alta sensibilidade e especificidade. Estas devem ser robustas para serem aplicadas à população em geral no diagnóstico e seguimento de doenças retinianas. Para serem eficazes, os sistemas de análise têm que conseguir detetar e distinguir estruturas normais de sinais patológicos. O objetivo principal da investigação que levou a esta tese de doutoramento é o desenvolvimento de sistemas automáticos capazes de detetar e segmentar as estruturas anatómicas da retina, e os sinais patológicos retinianos associados às doenças retinianas mais comuns. Em particular, estes algoritmos automatizados foram desenvolvidos segundo as premissas de robustez e eficácia para lidar com as dificuldades e complexidades inerentes a estas imagens. Foram considerados quatro objetivos de análise de imagens do fundo do olho. São estes, a segmentação de exsudados, a localização do disco ótico, a deteção da linha central venosa dos vasos sanguíneos e segmentação da rede vascular, e a deteção de microaneurismas. De acrescentar que usando o método de deteção de microaneurismas, avaliouse também a capacidade de deteção da retinopatia diabética em imagens do fundo do olho. Para comparar o desempenho das metodologias desenvolvidas neste trabalho, foi realizado um levantamento do estado da arte, onde foram considerados os métodos mais relevantes descritos na literatura para cada um dos objetivos descritos anteriormente. Para facilitar a comparação entre métodos, o estado da arte foi dividido em metodologias de processamento de imagem e baseadas em aprendizagem máquina. Optouse no trabalho de investigação desenvolvido pela utilização de metodologias de análise espacial de imagem em detrimento de metodologias baseadas em aprendizagem máquina. Em particular, as metodologias baseadas no espaço de escalas mostraram ser efetivas na obtenção dos objetivos estabelecidos. Para a segmentação de exsudados foram usadas duas abordagens distintas. A primeira abordagem baseiase na curvatura em espaço de escalas em conjunto com a resposta máxima local de um detetor de manchas em espaço de escalas e limiares dinâmicos. A segunda abordagem baseiase na análise do mapa de distribuição de ruído em conjunto com operadores morfológicos e limiares adaptativos. Ambas as abordagens fazem uma segmentação dos exsudados de elevada precisão, além de lidarem eficazmente com a iluminação nãouniforme e a variação de contraste presente nas imagens do fundo do olho. A localização do disco ótico foi conseguida com uma nova técnica designada por campos de soma acumulativos, combinada com métodos de melhoramento da rede vascular. O algoritmo revela ser fiável e eficiente, particularmente em imagens patológicas. A robustez do método foi verificada pela sua avaliação em oito bases de dados. A deteção da linha central dos vasos sanguíneos foi obtida através de um detetor de cantos modificado em conjunto com filtros binários e limiares dinâmicos. A segmentação da rede vascular foi conseguida com um novo método de melhoramento de vasos sanguíneos em espaço de escalas. Os métodos desenvolvidos mostraram ser eficazes na deteção da linha central dos vasos sanguíneos e na segmentação da rede vascular. Finalmente, o método para a deteção de microaneurismas assenta num formalismo de espaço de escalas na deteção e na rotulagem dos microaneurismas. Para a rotulagem foi utilizada uma nova abordagem da vizinhança dos candidatos a microaneurismas. A deteção de microaneurismas permitiu avaliar também a deteção da retinopatia diabética. O método para a deteção de microaneurismas mostrou ser competitivo quando comparado com outros métodos, em particular em imagens de alta resolução. A deteção da retinopatia diabética exibiu um desempenho semelhante a outros métodos e a especialistas humanos. Os trabalhos descritos nesta tese mostram ser possível desenvolver uma abordagem fiável e robusta em espaço de escalas capaz de detetar diferentes estruturas anatómicas e sinais patológicos da retina. Além disso, os resultados obtidos mostram que apesar de a pesquisa mais recente concentrarse em metodologias de aprendizagem máquina, as metodologias de análise espacial apresentam resultados muito competitivos e tipicamente independentes do equipamento de aquisição das imagens. As metodologias desenvolvidas nesta tese podem ser importantes na definição de novos descritores e características, que podem melhorar significativamente o resultado de métodos automatizados

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial

Detection of Macula and Recognition of Aged-Related Macular Degeneration in Retinal Fundus Images

In aged people, the central vision is affected by Age-Related Macular Degeneration (AMD). From the digital retinal fundus images, AMD can be recognized because of the existence of Drusen, Choroidal Neovascularization (CNV), and Geographic Atrophy (GA). It is time-consuming and costly for the ophthalmologists to monitor fundus images. A monitoring system for automated digital fundus photography can reduce these problems. In this paper, we propose a new macula detection system based on contrast enhancement, top-hat transformation, and the modified Kirsch template method. Firstly, the retinal fundus image is processed through an image enhancement method so that the intensity distribution is improved for finer visualization. The contrast-enhanced image is further improved using the top-hat transformation function to make the intensities level differentiable between the macula and different sections of images. The retinal vessel is enhanced by employing the modified Kirsch's template method. It enhances the vasculature structures and suppresses the blob-like structures. Furthermore, the OTSU thresholding is used to segment out the dark regions and separate the vessel to extract the candidate regions. The dark region and the background estimated image are subtracted from the extracted blood vessels image to obtain the exact location of the macula. The proposed method applied on 1349 images of STARE, DRIVE, MESSIDOR, and DIARETDB1 databases and achieved the average sensitivity, specificity, accuracy, positive predicted value, F1 score, and area under curve of 97.79 %, 97.65 %, 97.60 %, 97.38 %, 97.57 %, and 96.97 %, respectively. Experimental results reveal that the proposed method attains better performance, in terms of visual quality and enriched quantitative analysis, in comparison with eminent state-of-the-art methods

Flexible Hardware Architectures for Retinal Image Analysis

RÉSUMÉ Des millions de personnes autour du monde sont touchées par le diabète. Plusieurs complications oculaires telle que la rétinopathie diabétique sont causées par le diabète, ce qui peut conduire à une perte de vision irréversible ou même la cécité si elles ne sont pas traitées. Des examens oculaires complets et réguliers par les ophtalmologues sont nécessaires pour une détection précoce des maladies et pour permettre leur traitement. Comme solution préventive, un protocole de dépistage impliquant l'utilisation d'images numériques du fond de l'œil a été adopté. Cela permet aux ophtalmologistes de surveiller les changements sur la rétine pour détecter toute présence d'une maladie oculaire. Cette solution a permis d'obtenir des examens réguliers, même pour les populations des régions éloignées et défavorisées. Avec la grande quantité d'images rétiniennes obtenues, des techniques automatisées pour les traiter sont devenues indispensables. Les techniques automatisées de détection des maladies des yeux ont été largement abordées par la communauté scientifique. Les techniques développées ont atteint un haut niveau de maturité, ce qui a permis entre autre le déploiement de solutions en télémédecine. Dans cette thèse, nous abordons le problème du traitement de volumes élevés d'images rétiniennes dans un temps raisonnable dans un contexte de dépistage en télémédecine. Ceci est requis pour permettre l'utilisation pratique des techniques développées dans le contexte clinique. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur deux étapes du pipeline de traitement des images rétiniennes. La première étape est l'évaluation de la qualité de l'image rétinienne. La deuxième étape est la segmentation des vaisseaux sanguins rétiniens. L’évaluation de la qualité des images rétinienne après acquisition est une tâche primordiale au bon fonctionnement de tout système de traitement automatique des images de la rétine. Le rôle de cette étape est de classifier les images acquises selon leurs qualités, et demander une nouvelle acquisition en cas d’image de mauvaise qualité. Plusieurs algorithmes pour évaluer la qualité des images rétiniennes ont été proposés dans la littérature. Cependant, même si l'accélération de cette tâche est requise en particulier pour permettre la création de systèmes mobiles de capture d'images rétiniennes, ce sujet n'a pas encore été abordé dans la littérature. Dans cette thèse, nous ciblons un algorithme qui calcule les caractéristiques des images pour permettre leur classification en mauvaise, moyenne ou bonne qualité. Nous avons identifié le calcul des caractéristiques de l'image comme une tâche répétitive qui nécessite une accélération. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l’accélération de l’algorithme d’encodage à longueur de séquence (Run-Length Matrix – RLM). Nous avons proposé une première implémentation complètement logicielle mise en œuvre sous forme d’un système embarqué basé sur la technologie Zynq de Xilinx. Pour accélérer le calcul des caractéristiques, nous avons conçu un co-processeur capable de calculer les caractéristiques en parallèle implémenté sur la logique programmable du FPGA Zynq. Nous avons obtenu une accélération de 30,1 × pour la tâche de calcul des caractéristiques de l’algorithme RLM par rapport à son implémentation logicielle sur la plateforme Zynq. La segmentation des vaisseaux sanguins rétiniens est une tâche clé dans le pipeline du traitement des images de la rétine. Les vaisseaux sanguins et leurs caractéristiques sont de bons indicateurs de la santé de la rétine. En outre, leur segmentation peut également aider à segmenter les lésions rouges, indicatrices de la rétinopathie diabétique. Plusieurs techniques de segmentation des vaisseaux sanguins rétiniens ont été proposées dans la littérature. Des architectures matérielles ont également été proposées pour accélérer certaines de ces techniques. Les architectures existantes manquent de performances et de flexibilité de programmation, notamment pour les images de haute résolution. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux techniques de segmentation du réseau vasculaire rétinien, la technique du filtrage adapté et la technique des opérateurs de ligne. La technique de filtrage adapté a été ciblée principalement en raison de sa popularité. Pour cette technique, nous avons proposé deux architectures différentes, une architecture matérielle personnalisée mise en œuvre sur FPGA et une architecture basée sur un ASIP. L'architecture matérielle personnalisée a été optimisée en termes de surface et de débit de traitement pour obtenir des performances supérieures par rapport aux implémentations existantes dans la littérature. Cette implémentation est plus efficace que toutes les implémentations existantes en termes de débit. Pour l'architecture basée sur un processeur à jeu d’instructions spécialisé (Application-Specific Instruction-set Processor – ASIP), nous avons identifié deux goulets d'étranglement liés à l'accès aux données et à la complexité des calculs de l'algorithme. Nous avons conçu des instructions spécifiques ajoutées au chemin de données du processeur. L'ASIP a été rendu 7.7 × plus rapide par rapport à son architecture de base. La deuxième technique pour la segmentation des vaisseaux sanguins est l'algorithme détecteur de ligne multi-échelle (Multi-Scale Ligne Detector – MSLD). L'algorithme MSLD est choisi en raison de ses performances et de son potentiel à détecter les petits vaisseaux sanguins. Cependant, l'algorithme fonctionne en multi-échelle, ce qui rend l’algorithme gourmand en mémoire. Pour résoudre ce problème et permettre l'accélération de son exécution, nous avons proposé un algorithme efficace en terme de mémoire, conçu et implémenté sur FPGA. L'architecture proposée a réduit de façon drastique les exigences de l’algorithme en terme de mémoire en réutilisant les calculs et la co-conception logicielle/matérielle. Les deux architectures matérielles proposées pour la segmentation du réseau vasculaire rétinien ont été rendues flexibles pour pouvoir traiter des images de basse et de haute résolution. Ceci a été réalisé par le développement d'un compilateur spécifique capable de générer une description HDL de bas niveau de l'algorithme à partir d'un ensemble de paramètres. Le compilateur nous a permis d’optimiser les performances et le temps de développement. Dans cette thèse, nous avons introduit deux architectures qui sont, au meilleur de nos connaissances, les seules capables de traiter des images à la fois de basse et de haute résolution.----------ABSTRACT Millions of people all around the world are affected by diabetes. Several ocular complications such as diabetic retinopathy are caused by diabetes, which can lead to irreversible vision loss or even blindness if not treated. Regular comprehensive eye exams by eye doctors are required to detect the diseases at earlier stages and permit their treatment. As a preventing solution, a screening protocol involving the use of digital fundus images was adopted. This allows eye doctors to monitor changes in the retina to detect any presence of eye disease. This solution made regular examinations widely available, even to populations in remote and underserved areas. With the resulting large amount of retinal images, automated techniques to process them are required. Automated eye detection techniques are largely addressed by the research community, and now they reached a high level of maturity, which allows the deployment of telemedicine solutions. In this thesis, we are addressing the problem of processing a high volume of retinal images in a reasonable time. This is mandatory to allow the practical use of the developed techniques in a clinical context. In this thesis, we focus on two steps of the retinal image pipeline. The first step is the retinal image quality assessment. The second step is the retinal blood vessel segmentation. The evaluation of the quality of the retinal images after acquisition is a primary task for the proper functioning of any automated retinal image processing system. The role of this step is to classify the acquired images according to their quality, which will allow an automated system to request a new acquisition in case of poor quality image. Several algorithms to evaluate the quality of retinal images were proposed in the literature. However, even if the acceleration of this task is required, especially to allow the creation of mobile systems for capturing retinal images, this task has not yet been addressed in the literature. In this thesis, we target an algorithm that computes image features to allow their classification to bad, medium or good quality. We identified the computation of image features as a repetitive task that necessitates acceleration. We were particularly interested in accelerating the Run-Length Matrix (RLM) algorithm. We proposed a first fully software implementation in the form of an embedded system based on Xilinx's Zynq technology. To accelerate the features computation, we designed a co-processor able to compute the features in parallel, implemented on the programmable logic of the Zynq FPGA. We achieved an acceleration of 30.1× over its software implementation for the features computation part of the RLM algorithm. Retinal blood vessel segmentation is a key task in the pipeline of retinal image processing. Blood vessels and their characteristics are good indicators of retina health. In addition, their segmentation can also help to segment the red lesions, indicators of diabetic retinopathy. Several techniques have been proposed in the literature to segment retinal blood vessels. Hardware architectures have also been proposed to accelerate blood vessel segmentation. The existing architectures lack in terms of performance and programming flexibility, especially for high resolution images. In this thesis, we targeted two techniques, matched filtering and line operators. The matched filtering technique was targeted mainly because of its popularity. For this technique, we proposed two different architectures, a custom hardware architecture implemented on FPGA, and an Application Specific Instruction-set Processor (ASIP) based architecture. The custom hardware architecture area and timing were optimized to achieve higher performances in comparison to existing implementations. Our custom hardware implementation outperforms all existing implementations in terms of throughput. For the ASIP based architecture, we identified two bottlenecks related to data access and computation intensity of the algorithm. We designed two specific instructions added to the processor datapath. The ASIP was made 7.7× more efficient in terms of execution time compared to its basic architecture. The second technique for blood vessel segmentation is the Multi-Scale Line Detector (MSLD) algorithm. The MSLD algorithm is selected because of its performance and its potential to detect small blood vessels. However, the algorithm works at multiple scales which makes it memory intensive. To solve this problem and allow the acceleration of its execution, we proposed a memory-efficient algorithm designed and implemented on FPGA. The proposed architecture reduces drastically the memory requirements of the algorithm by reusing the computations and SW/HW co-design. The two hardware architectures proposed for retinal blood vessel segmentation were made flexible to be able to process low and high resolution images. This was achieved by the development of a specific compiler able to generate low-level HDL descriptions of the algorithm from a set of the algorithm parameters. The compiler enabled us to optimize performance and development time. In this thesis, we introduce two novel architectures which are, to the best of our knowledge, the only ones able to process both low and high resolution images

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

Reconstruction of Three-Dimensional Blood Vessel Model Using Fractal Interpolation

Fractal method is used in the image processing and studying the irregular and the complex shapes in the image. It is also used in the reconstruction and smoothing of one-, two-, and three-dimensional data. In this chapter, we present an interpolating fractal algorithm to reconstruct 3D blood vessels. Firstly, the proposed method determines the blood vessel centerline from the 2D retina image, and then it uses the Douglas-Peucker algorithm to detect the control points. Secondly, we use the 3D fractal interpolation and iterated function systems for the visualization and reconstruction of these blood vessels. The results showed that the obtained reduction rate is between 71 and 94% depending on the tolerance value. The 3D blood vessels model can be reconstructed efficiently by using the 3D fractal interpolation method