47 research outputs found

    Computational Anatomy for Multi-Organ Analysis in Medical Imaging: A Review

    Full text link
    The medical image analysis field has traditionally been focused on the development of organ-, and disease-specific methods. Recently, the interest in the development of more 20 comprehensive computational anatomical models has grown, leading to the creation of multi-organ models. Multi-organ approaches, unlike traditional organ-specific strategies, incorporate inter-organ relations into the model, thus leading to a more accurate representation of the complex human anatomy. Inter-organ relations are not only spatial, but also functional and physiological. Over the years, the strategies 25 proposed to efficiently model multi-organ structures have evolved from the simple global modeling, to more sophisticated approaches such as sequential, hierarchical, or machine learning-based models. In this paper, we present a review of the state of the art on multi-organ analysis and associated computation anatomy methodology. The manuscript follows a methodology-based classification of the different techniques 30 available for the analysis of multi-organs and multi-anatomical structures, from techniques using point distribution models to the most recent deep learning-based approaches. With more than 300 papers included in this review, we reflect on the trends and challenges of the field of computational anatomy, the particularities of each anatomical region, and the potential of multi-organ analysis to increase the impact of 35 medical imaging applications on the future of healthcare.Comment: Paper under revie

    A Survey on Artificial Intelligence Techniques for Biomedical Image Analysis in Skeleton-Based Forensic Human Identification

    Get PDF
    This paper represents the first survey on the application of AI techniques for the analysis of biomedical images with forensic human identification purposes. Human identification is of great relevance in today’s society and, in particular, in medico-legal contexts. As consequence, all technological advances that are introduced in this field can contribute to the increasing necessity for accurate and robust tools that allow for establishing and verifying human identity. We first describe the importance and applicability of forensic anthropology in many identification scenarios. Later, we present the main trends related to the application of computer vision, machine learning and soft computing techniques to the estimation of the biological profile, the identification through comparative radiography and craniofacial superimposition, traumatism and pathology analysis, as well as facial reconstruction. The potentialities and limitations of the employed approaches are described, and we conclude with a discussion about methodological issues and future research.Spanish Ministry of Science, Innovation and UniversitiesEuropean Union (EU) PGC2018-101216-B-I00Regional Government of Andalusia under grant EXAISFI P18-FR-4262Instituto de Salud Carlos IIIEuropean Union (EU) DTS18/00136European Commission H2020-MSCA-IF-2016 through the Skeleton-ID Marie Curie Individual Fellowship 746592Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities-CDTI, Neotec program 2019 EXP-00122609/SNEO-20191236European Union (EU)Xunta de Galicia ED431G 2019/01European Union (EU) RTI2018-095894-B-I0

    Generative Interpretation of Medical Images

    Get PDF

    Statistical anatomical modelling for efficient and personalised spine biomechanical models

    Get PDF
    Personalised medicine is redefining the present and future of healthcare by increasing treatment efficacy and predicting diseases before they actually manifest. This innovative approach takes into consideration patient’s unique genes, environment, and lifestyle. An essential component is physics-based simulations, which allows the outcome of a treatment or a disease to be replicated and visualised using a computer. The main requirement to perform this type of simulation is to build patient-specific models. These models require the extraction of realistic object geometries from images, as well as the detection of diseases or deformities to improve the estimation of the material properties of the studied object. The aim of this thesis was the design of a general framework for creating patient- specific models for biomechanical simulations using a framework based on statistical shape models. The proposed methodology was tested on the construction of spine models, including vertebrae and intervertebral discs (IVD). The proposed framework is divided into three well-defined components: The paramount and first step is the extraction of the organ or anatomical structure from medical images. In the case of the spine, IVDs and vertebrae were extracted from Magnetic Resonance images (MRI) and Computed Tomography (CT), respectively. The second step is the classification of objects according to different factors, for instance, bones by its type and grade of fracture or IVDs by its degree of degeneration. This process is essential to properly model material properties, which depends on the possible pathologies of the tissue. The last component of the framework is the creation of the patient-specific model itself by combining the information from previous steps. The behaviour of the developed algorithms was tested using different datasets of spine images from both computed tomography (CT) and Magnetic resonance (MR) images from different institutions, type of population and image resolution

    Model-based segmentation and registration of multimodal medical images

    Get PDF
    Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

    Reconstruction 3D personnalisée de la colonne vertébrale à partir d'images radiographiques non-calibrées

    Get PDF
    Les systèmes de reconstruction stéréo-radiographique 3D -- La colonne vertébrale -- La scoliose idiopathique adolescente -- Évolution des systèmes de reconstruction 3D -- Filtres de rehaussement d'images -- Techniques de segmentation -- Les méthodes de calibrage -- Les méthodes de reconstruction 3D -- Problématique, hypothèses, objectifs et méthode générale -- Three-dimensional reconstruction of the scoliotic spine and pelvis from uncalibrated biplanar X-ray images -- A versatile 3D reconstruction system of the spine and pelvis for clinical assessment of spinal deformities -- Simulation experiments -- Clinical validation -- A three-dimensional retrospective analysis of the evolution of spinal instrumentation for the correction of adolescent idiopathic scoliosis -- Auto-calibrage d'un système à rayons-X à partir de primitives de haut niveau -- Segmentation de la colonne vertébrale -- Approche hiérarchique d'auto-calibrage d'un système d'acquisition à rayons-X -- Personalized 3D reconstruction of the scoliotic spine from hybrid statistical and X-ray image-based models -- Validation protocol

    Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

    Get PDF
    Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab

    Real-time intrafraction motion monitoring in external beam radiotherapy

    Get PDF
    © 2019 Institute of Physics and Engineering in Medicine. Radiotherapy (RT) aims to deliver a spatially conformal dose of radiation to tumours while maximizing the dose sparing to healthy tissues. However, the internal patient anatomy is constantly moving due to respiratory, cardiac, gastrointestinal and urinary activity. The long term goal of the RT community to 'see what we treat, as we treat' and to act on this information instantaneously has resulted in rapid technological innovation. Specialized treatment machines, such as robotic or gimbal-steered linear accelerators (linac) with in-room imaging suites, have been developed specifically for real-time treatment adaptation. Additional equipment, such as stereoscopic kilovoltage (kV) imaging, ultrasound transducers and electromagnetic transponders, has been developed for intrafraction motion monitoring on conventional linacs. Magnetic resonance imaging (MRI) has been integrated with cobalt treatment units and more recently with linacs. In addition to hardware innovation, software development has played a substantial role in the development of motion monitoring methods based on respiratory motion surrogates and planar kV or Megavoltage (MV) imaging that is available on standard equipped linacs. In this paper, we review and compare the different intrafraction motion monitoring methods proposed in the literature and demonstrated in real-time on clinical data as well as their possible future developments. We then discuss general considerations on validation and quality assurance for clinical implementation. Besides photon RT, particle therapy is increasingly used to treat moving targets. However, transferring motion monitoring technologies from linacs to particle beam lines presents substantial challenges. Lessons learned from the implementation of real-time intrafraction monitoring for photon RT will be used as a basis to discuss the implementation of these methods for particle RT

    Multi-Atlas Segmentation of Biomedical Images: A Survey

    Get PDF
    Abstract Multi-atlas segmentation (MAS), first introduced and popularized by the pioneering work of Rohlfing
    corecore