Intraoperative tissue classification methods in orthopedic and neurological surgeries: A systematic review

Accurate tissue differentiation during orthopedic and neurological surgeries is critical, given that such surgeries involve operations on or in the vicinity of vital neurovascular structures and erroneous surgical maneuvers can lead to surgical complications. By now, the number of emerging technologies tackling the problem of intraoperative tissue classification methods is increasing. Therefore, this systematic review paper intends to give a general overview of existing technologies. The review was done based on the PRISMA principle and two databases: PubMed and IEEE Xplore. The screening process resulted in 60 full-text papers. The general characteristics of the methodology from extracted papers included data processing pipeline, machine learning methods if applicable, types of tissues that can be identified with them, phantom used to conduct the experiment, and evaluation results. This paper can be useful in identifying the problems in the current status of the state-of-the-art intraoperative tissue classification methods and designing new enhanced techniques

Imaging White Blood Cells using a Snapshot Hyper-Spectral Imaging System

Automated white blood cell (WBC) counting systems process an extracted whole blood sample and provide a cell count. A step that would not be ideal for onsite screening of individuals in triage or at a security gate. Snapshot Hyper-Spectral imaging systems are capable of capturing several spectral bands simultaneously, offering co-registered images of a target. With appropriate optics, these systems are potentially able to image blood cells in vivo as they flow through a vessel, eliminating the need for a blood draw and sample staining. Our group has evaluated the capability of a commercial Snapshot Hyper-Spectral imaging system, specifically the Arrow system from Rebellion Photonics, in differentiating between white and red blood cells on unstained and sealed blood smear slides. We evaluated the imaging capabilities of this hyperspectral camera as a platform to build an automated blood cell counting system. Hyperspectral data consisting of 25, 443x313 hyperspectral bands with ~3nm spacing were captured over the range of 419 to 494nm. Open-source hyperspectral datacube analysis tools, used primarily in Geographic Information Systems (GIS) applications, indicate that white blood cells\u27 features are most prominent in the 428-442nm band for blood samples viewed under 20x and 50x magnification over a varying range of illumination intensities. The system has shown to successfully segment blood cells based on their spectral-spatial information. These images could potentially be used in subsequent automated white blood cell segmentation and counting algorithms for performing in vivo white blood cell counting

Framework for Hyperspectral Image Processing and Quantification for Cancer Detection During Animal Tumor Surgery

Hyperspectral imaging (HSI) is an imaging modality that holds strong potential for rapid cancer detection during image-guided surgery. But the data from HSI often needs to be processed appropriately in order to extract the maximum useful information that differentiates cancer from normal tissue. We proposed a framework for hyperspectral image processing and quantification, which includes a set of steps including image preprocessing, glare removal, feature extraction, and ultimately image classification. The framework has been tested on images from mice with head and neck cancer, using spectra from 450- to 900-nm wavelength. The image analysis computed Fourier coefficients, normalized reflectance, mean, and spectral derivatives for improved accuracy. The experimental results demonstrated the feasibility of the hyperspectral image processing and quantification framework for cancer detection during animal tumor surgery, in a challenging setting where sensitivity can be low due to a modest number of features present, but potential for fast image classification can be high. This HSI approach may have potential application in tumor margin assessment during image-guided surgery, where speed of assessment may be the dominant factor

Identity Analysis of Egg Based on Digital and Thermal Imaging: Image Processing and Counting Object Concept

This Research was conducted to analyze the identification of eggs. The research processes use two tools, namely thermal imaging camera and smartphone camera. The identification process was done by using Matlab prototype tools. The image has been acquired by means of proficiency level, then analyzed and applied several methods. Image acquisition results of thermal imaging camera are processed using morphological dilation and do the complement in black and white (BW). While the digital image uses the merger method of morphological dilation and opening, and it doesn't need to be complemented. Labeling process is done, and the process of determining centroid and bounding box. The process has been done and it can be applied for identifying of chicken eggs with the accuracy rate of 100%. There are different methods of both images is obtained area (pixels) which is equivalent to the difference is very small as 6 x 10-3

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

A novel automated approach of multi-modality retinal image registration and fusion

Biomedical image registration and fusion are usually scene dependent, and require intensive computational effort. A novel automated approach of feature-based control point detection and area-based registration and fusion of retinal images has been successfully designed and developed. The new algorithm, which is reliable and time-efficient, has an automatic adaptation from frame to frame with few tunable threshold parameters. The reference and the to-be-registered images are from two different modalities, i.e. angiogram grayscale images and fundus color images. The relative study of retinal images enhances the information on the fundus image by superimposing information contained in the angiogram image. Through the thesis research, two new contributions have been made to the biomedical image registration and fusion area. The first contribution is the automatic control point detection at the global direction change pixels using adaptive exploratory algorithm. Shape similarity criteria are employed to match the control points. The second contribution is the heuristic optimization algorithm that maximizes Mutual-Pixel-Count (MPC) objective function. The initially selected control points are adjusted during the optimization at the sub-pixel level. A global maxima equivalent result is achieved by calculating MPC local maxima with an efficient computation cost. The iteration stops either when MPC reaches the maximum value, or when the maximum allowable loop count is reached. To our knowledge, it is the first time that the MPC concept has been introduced into biomedical image fusion area as the measurement criteria for fusion accuracy. The fusion image is generated based on the current control point coordinates when the iteration stops. The comparative study of the presented automatic registration and fusion scheme against Centerline Control Point Detection Algorithm, Genetic Algorithm, RMSE objective function, and other existing data fusion approaches has shown the advantage of the new approach in terms of accuracy, efficiency, and novelty

Automated Identification of Diabetic Retinopathy: A Survey

Diabetes strikes when the pancreas stops to produce sufficient insulin, gradually disturbing the retina of the human eye, leading to diabetic retinopathy. The blood vessels in the retina become changed and have abnormality. Exudates are concealed, micro-aneurysms and haemorrhages occur in the retina of eye, which intern leads to blindness. The presence of these structures signifies the harshness of the disease. A systematized Diabetic Retinopathy screening system will enable the detection of lesions accurately, consequently facilitating the ophthalmologists. Micro-aneurysms are the initial clinical signs of diabetic retinopathy. Timely identification of diabetic retinopathy plays a major role in the success of managing the disease. The main task is to extract exudates, which are similar in color property and size of the optic disk; afterwards micro-aneurysms are alike in color and closeness with blood vessels. The primary objective of this review is to survey the methods, techniques potential benefits and limitations of automated detection of micro-aneurysm in order to better manage translation into clinical practice, based on extensive experience with systems used by opthalmologists treating diabetic retinopathy