5,828 research outputs found

    UMSL Bulletin 2023-2024

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    The 2023-2024 Bulletin and Course Catalog for the University of Missouri St. Louis.https://irl.umsl.edu/bulletin/1088/thumbnail.jp

    Graduate Catalog of Studies, 2023-2024

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    Automatic Feature Detection in Lung Ultrasound Images using Wavelet and Radon Transforms

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    Objective: Lung ultrasonography is a significant advance toward a harmless lung imagery system. This work has investigated the automatic localization of diagnostically significant features in lung ultrasound pictures which are Pleural line, A-lines, and B-lines. Study Design: Wavelet and Radon transforms have been utilized in order to denoise and highlight the presence of clinically significant patterns. The proposed framework is developed and validated using three different lung ultrasound image datasets. Two of them contain synthetic data and the other one is taken from the publicly available POCUS dataset. The efficiency of the proposed method is evaluated using 200 real images. Results: The obtained results prove that the comparison between localized patterns and the baselines yields a promising F2-score of 62%, 86%, and 100% for B-lines, A-lines, and Pleural line, respectively. Conclusion: Finally, the high F-scores attained show that the developed technique is an effective way to automatically extract lung patterns from ultrasound images.Comment: 13 pages, 12 figures, 4 table

    Evaluation of different segmentation-based approaches for skin disorders from dermoscopic images

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    Treballs Finals de Grau d'Enginyeria Biomèdica. Facultat de Medicina i Ciències de la Salut. Universitat de Barcelona. Curs: 2022-2023. Tutor/Director: Sala Llonch, Roser, Mata Miquel, Christian, Munuera, JosepSkin disorders are the most common type of cancer in the world and the incident has been lately increasing over the past decades. Even with the most complex and advanced technologies, current image acquisition systems do not permit a reliable identification of the skin lesion by visual examination due to the challenging structure of the malignancy. This promotes the need for the implementation of automatic skin lesion segmentation methods in order to assist in physicians’ diagnostic when determining the lesion's region and to serve as a preliminary step for the classification of the skin lesion. Accurate and precise segmentation is crucial for a rigorous screening and monitoring of the disease's progression. For the purpose of the commented concern, the present project aims to accomplish a state-of-the-art review about the most predominant conventional segmentation models for skin lesion segmentation, alongside with a market analysis examination. With the rise of automatic segmentation tools, a wide number of algorithms are currently being used, but many are the drawbacks when employing them for dermatological disorders due to the high-level presence of artefacts in the image acquired. In light of the above, three segmentation techniques have been selected for the completion of the work: level set method, an algorithm combining GrabCut and k-means methods and an intensity automatic algorithm developed by Hospital Sant Joan de Déu de Barcelona research group. In addition, a validation of their performance is conducted for a further implementation of them in clinical training. The proposals, together with the got outcomes, have been accomplished by means of a publicly available skin lesion image database

    Is attention all you need in medical image analysis? A review

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    Medical imaging is a key component in clinical diagnosis, treatment planning and clinical trial design, accounting for almost 90% of all healthcare data. CNNs achieved performance gains in medical image analysis (MIA) over the last years. CNNs can efficiently model local pixel interactions and be trained on small-scale MI data. The main disadvantage of typical CNN models is that they ignore global pixel relationships within images, which limits their generalisation ability to understand out-of-distribution data with different 'global' information. The recent progress of Artificial Intelligence gave rise to Transformers, which can learn global relationships from data. However, full Transformer models need to be trained on large-scale data and involve tremendous computational complexity. Attention and Transformer compartments (Transf/Attention) which can well maintain properties for modelling global relationships, have been proposed as lighter alternatives of full Transformers. Recently, there is an increasing trend to co-pollinate complementary local-global properties from CNN and Transf/Attention architectures, which led to a new era of hybrid models. The past years have witnessed substantial growth in hybrid CNN-Transf/Attention models across diverse MIA problems. In this systematic review, we survey existing hybrid CNN-Transf/Attention models, review and unravel key architectural designs, analyse breakthroughs, and evaluate current and future opportunities as well as challenges. We also introduced a comprehensive analysis framework on generalisation opportunities of scientific and clinical impact, based on which new data-driven domain generalisation and adaptation methods can be stimulated

    Deep learning for unsupervised domain adaptation in medical imaging: Recent advancements and future perspectives

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    Deep learning has demonstrated remarkable performance across various tasks in medical imaging. However, these approaches primarily focus on supervised learning, assuming that the training and testing data are drawn from the same distribution. Unfortunately, this assumption may not always hold true in practice. To address these issues, unsupervised domain adaptation (UDA) techniques have been developed to transfer knowledge from a labeled domain to a related but unlabeled domain. In recent years, significant advancements have been made in UDA, resulting in a wide range of methodologies, including feature alignment, image translation, self-supervision, and disentangled representation methods, among others. In this paper, we provide a comprehensive literature review of recent deep UDA approaches in medical imaging from a technical perspective. Specifically, we categorize current UDA research in medical imaging into six groups and further divide them into finer subcategories based on the different tasks they perform. We also discuss the respective datasets used in the studies to assess the divergence between the different domains. Finally, we discuss emerging areas and provide insights and discussions on future research directions to conclude this survey.Comment: Under Revie

    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

    Generalizable deep learning based medical image segmentation

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    Deep learning is revolutionizing medical image analysis and interpretation. However, its real-world deployment is often hindered by the poor generalization to unseen domains (new imaging modalities and protocols). This lack of generalization ability is further exacerbated by the scarcity of labeled datasets for training: Data collection and annotation can be prohibitively expensive in terms of labor and costs because label quality heavily dependents on the expertise of radiologists. Additionally, unreliable predictions caused by poor model generalization pose safety risks to clinical downstream applications. To mitigate labeling requirements, we investigate and develop a series of techniques to strengthen the generalization ability and the data efficiency of deep medical image computing models. We further improve model accountability and identify unreliable predictions made on out-of-domain data, by designing probability calibration techniques. In the first and the second part of thesis, we discuss two types of problems for handling unexpected domains: unsupervised domain adaptation and single-source domain generalization. For domain adaptation we present a data-efficient technique that adapts a segmentation model trained on a labeled source domain (e.g., MRI) to an unlabeled target domain (e.g., CT), using a small number of unlabeled training images from the target domain. For domain generalization, we focus on both image reconstruction and segmentation. For image reconstruction, we design a simple and effective domain generalization technique for cross-domain MRI reconstruction, by reusing image representations learned from natural image datasets. For image segmentation, we perform causal analysis of the challenging cross-domain image segmentation problem. Guided by this causal analysis we propose an effective data-augmentation-based generalization technique for single-source domains. The proposed method outperforms existing approaches on a large variety of cross-domain image segmentation scenarios. In the third part of the thesis, we present a novel self-supervised method for learning generic image representations that can be used to analyze unexpected objects of interest. The proposed method is designed together with a novel few-shot image segmentation framework that can segment unseen objects of interest by taking only a few labeled examples as references. Superior flexibility over conventional fully-supervised models is demonstrated by our few-shot framework: it does not require any fine-tuning on novel objects of interest. We further build a publicly available comprehensive evaluation environment for few-shot medical image segmentation. In the fourth part of the thesis, we present a novel probability calibration model. To ensure safety in clinical settings, a deep model is expected to be able to alert human radiologists if it has low confidence, especially when confronted with out-of-domain data. To this end we present a plug-and-play model to calibrate prediction probabilities on out-of-domain data. It aligns the prediction probability in line with the actual accuracy on the test data. We evaluate our method on both artifact-corrupted images and images from an unforeseen MRI scanning protocol. Our method demonstrates improved calibration accuracy compared with the state-of-the-art method. Finally, we summarize the major contributions and limitations of our works. We also suggest future research directions that will benefit from the works in this thesis.Open Acces

    Orvosképzés 2023

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    Analysis and Design of Detection for Liver Cancer using Particle Swarm Optimization and Decision Tree

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    Liver cancer is taken as a major cause of death all over the world. According to WHO (World Health Organization) every year 9.6 million peoples are died due to cancer worldwide. It is one of the eighth most leading causes of death in women and fifth in men as reported by the American Cancer Society. The number of death rate due to cancer is projected to increase by45 percent in between 2008 to 2030. The most common cancers are lung, breast, and liver, colorectal. Approximately 7, 82,000 peoples are died due to liver cancer each year. The most efficient way to decrease the death rate cause of liver cancer is to treat the diseases in the initial stage. Early treatment depends upon the early diagnosis, which depends on reliable diagnosis methods. CT imaging is one of the most common and important technique and it acts as an imaging tool for evaluating the patients with intuition of liver cancer. The diagnosis of liver cancer has historically been made manually by a skilled radiologist, who relied on their expertise and personal judgement to reach a conclusion. The main objective of this paper is to develop the automatic methods based on machine learning approach for accurate detection of liver cancer in order to help radiologists in the clinical practice. The paper primary contribution to the process of liver cancer lesion classification and automatic detection for clinical diagnosis. For the purpose of detecting liver cancer lesions, the best approaches based on PSO and DPSO have been given. With the help of the C4.5 decision tree classifier, wavelet-based statistical and morphological features were retrieved and categorised
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