Signal Processing Methods for Quantitative Power Doppler Microvascular Angiography

Operator-dependent instrument settings and the likelihood of image artifacts are two challenges for reliably using three-dimensional (3-D) power Doppler angiography in flow depiction and quantification applications. To address the operator-dependent settings challenge, an automated method for wall filter cut-off selection, the wall filter selection curve (WFSC) method, was developed using flow-phantom images. The flow-phantom WFSCs guided the development of a theoretical signal model relating color pixel density (CPD) and wall filter cut-off frequency. Simulations using the theoretical model were used to define criteria for the WFSC method to be applied to unprocessed power Doppler signals from 3-D vasculature. The adapted WFSC method was combined with a 3-D skeletonization and vessel network reconstruction method to present a two-stage processing method aimed at improving vascular detection, visualization and quantification. The two-stage method was evaluated using two in vivo models; a murine tumor model was used to test the performance of the method in a flow quantification application and a chick embryo chorioallantoic membrane (CAM) model was used to evaluate the method’s value for flow depiction applications. Applying the WFSC method to flow-phantom images improved vessel delineation and vascular quantification to within 3% of the vascular volume fraction of the phantom. Criteria for the WFSC method from the simulations were to assess at least 100 cut-off frequencies and that the CPD variability should be less than 5% to ensure quantification accuracy. Large variations in the cut-off frequency selected using the WFSC among images acquired at different time points and across different animals in the murine tumor model signified the relevance of spatially and temporally adjusting the cut-off frequency. The two-stage method improved visualization of the vascular network and significantly reduced artifacts in both the tumor and CAM models in comparison to images using conventional Doppler processing. In the CAM model, vessel diameters measured in two-stage processed images were more accurate than measurements in images exported from a commercial scanner. The proposed signal processing methods increase accuracy and robustness of qualitative and quantitative studies using 3-D power Doppler angiography to assess vascular networks for flow depiction and quantification

Caractérisation ultrasonore de l'angiogenèse, de l'élasticité et de la microstructure tumorale sous l'effet de thérapies conventionnelles et innovantes

Tumor development is complex process made possible thanks to the microenvironment surrounding tumor cell. Modifications induced by tumor cells on their environment enable their own development by remodeling tissues sustaining them and by creating a new vascular network (angiogenesis). The use of several antiangiogenic therapies, inhibiting the sprout of a new vascular network, has been authorized in clinic. These therapies induce strong modifications in tumors at the functional level and following tumor size changes are is not sufficient to fully characterize tumor modifications. The main goal of this thesis was to use different ultrasound-based imaging modalities in order to assess their sensitivity to modifications induced in murine tumor model (colorectal and lung carcinomas) during different type of therapy (chemical: cytotoxic, antiangiogenic / physical: cold plasma, sonosensitization). Modifications of the spatial distribution of microvessels and their functionality were characterized using contrast-enhanced ultrasound (CEUS), alteration of tumor microstructure was assessed using spectral analysis of radiofrequency signal, known as quantitative ultrasound (QUS) and finally variations of mechanical properties in tumor tissues were measured in shear wave elastography (SWE). In order to better understand the origin of the modifications observed in vivo, standard parameters such as level of fibrosis and necrosis were characterize ex vivo in tumor tissue using immunochemistry as gold standard.Les modifications induites par les cellules tumorales sur leur environnement ont pour but de permettre leur développement en remodelant le tissu la soutenant et en créant un nouveau réseau vasculaire (angiogenèse). Plusieurs thérapies anti-angiogéniques inhibant le développement du réseau vasculaire tumoral ont obtenu l’autorisation de mise sur le marché et sont actuellement utilisées en clinique. Ces thérapies induisent de fortes modifications fonctionnelles au sein de la tumeur mais le simple suivi de l’évolution du volume tumoral n’est pas suffisant pour rendre compte de ces modifications. L’objectif principal de la thèse a consisté à utiliser différentes modalités d’imagerie ultrasonore afin d’évaluer leur sensibilité aux modifications générées dans des tumeurs murine (carcinome colorectal et pulmonaire) au cours de plusieurs types de thérapie (chimique : cytotoxique, anti-angiogénique / physique : plasma froid, sono-sensibilisation). Les modifications de la distribution spatiale des micro-vaisseaux et leur fonctionnalité ont été caractérisées à l’aide de l’imagerie de contraste ultrasonore (CEUS), l’altération de la microstructure de la tumeur a été évaluée grâce à l’analyse spectrale des signaux radiofréquences, connu comme « quantitative ultrasound » (QUS) et enfin les variations des propriétés mécaniques des tissus tumoraux ont été mesurées en élastographie à l’aide de la technique « Shear Wave Elastography » (SWE). Afin de comprendre l’origine des modifications observées in vivo, des paramètres standard comme les niveaux de fibrose ou de nécrose ont été caractérisés ex vivo dans le tissu tumoral, grâce à l’immunohistochimie, une technique de référence

Ultrasound Imaging

In this book, we present a dozen state of the art developments for ultrasound imaging, for example, hardware implementation, transducer, beamforming, signal processing, measurement of elasticity and diagnosis. The editors would like to thank all the chapter authors, who focused on the publication of this book

Hepatocellular Carcinoma

Hepatocellular carcinoma (HCC) represents one of the most significant global health issues, given its high prevalence and the challenging nature and physiology of the liver and hepatic surgery, in its many forms. This means that the most appropriate management for HCC should incorporate a multidisciplinary approach, combining the expertise from several different specialties. This book showcases the various steps in the development, diagnosis, staging, and management of HCC and provides views and thoughts from true experts in the field. As such, it is a useful resource for any physician or surgeon, whether training or practicing, who is interested in caring for patients with HCC

Positron emission tomography in the diagnosis and staging of pancreatic and neuroendocrine tumors

Tutkimuksen tausta ja tavoitteet: Viimeaikaisesta perinteisten kuvantamismenetelmien kehityksestä huolimatta sekä haima- että neuroendokriinisten (NE) kasvaimien diagnostiikka on haastavaa. Uudentyyppinen kuvantamismenetelmä, fuusio positroniemissiotomografia-tietokonetomografia (PET/TT), on lupaava näiden kasvainten erotusdiagnostiikassa ja levinneisyyden arvioinnissa. Huolimatta alustavista lupaavista tutkimustuloksista, PET/TT:n rooli on toistaiseksi vielä epäselvä sekä haima- että NE-kasvaimissa eikä se näin ollen ole vakiintunut kliiniseen hoitokäytäntöön. Väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää PET/TT -menetelmän käyttökelpoisuutta haima- ja NE-kasvaimien diagnostiikassa. Kahden ensimmäisen osatyön prospektiivisessa tutkimuksessa potilaat, joilla epäiltiin haimakasvainta, kuvannettiin PET/TT:llä käyttäen merkkiaineena fluorideoxyglukoosia (18F-FDG) kasvaimen aineenvaihdunnan arvioimiseksi ja kasvaimen verenvirtausta arviointiin käyttäen merkkiaineena radiovettä (15O-H2O). Kolmen muun osatyön tavoitteena oli selvittää dihydroxyfenylalaniini (18F-DOPA) PET -menetelmää erilaisten NE-kasvaimien diagnostiikassa ja levinneisyyden arvioinnissa. Tulokset: Haimakasvaimien ensivaiheen diagnostiikassa 18F-FDG-PET/TT:llä oli korkeampi diagnostinen tarkkuus verrattuna titokoneleike- (TT) ja magneettikuvantamiseen (MK) (89% vs. 76% ja 79%). Etenkin pahanlaatuiseksi epäillyn sappitiehytahtauman erotusdiagnostiikassa 18F-FDG-PET/TT:n positiivinen ennustearvo (92%) oli korkea. Haimasyövän levinneisyyden arvioinnissa 18F-FDG-PET/TT:n herkkyys oli huono (30%) paikallisen taudin osoittamisessa. Sen sijaan etäpesäkkeiden osoittamisessa 18F-FDG-PET/TT oli merkittävästi herkempi menetelmä verrattuna TT ja magneettikuvantamiseen (88% vs. 38%). Verrattaessa erilaisten haimakasvaimien ja normaalin haimakudoksen aineenvaihduntaa ja verenvirtausta, aineenvaihdunta/verenvirtaus suhde oli merkittävästi korkeampi pahanlaatuisissa haimakasvaimissa (P18F-DOPA-PET löysi seitsemän kahdeksasta insulinoomasta ja oli positiivinen myös kahdella potilaalla, joilla todettiin haiman saarakesoluhyperplasia. Perustuen alustaviin tuloksiin, rutiinikäytössä oleva karbidopa esilääke ennen 18F-DOPA-PET kuvantamista peitti insulinooma löydöksen kahdella potilaalla kolmesta. NE-kasvaiminen diagnostiikassa 82 potilaan aineisto osoitti 18F-DOPA PET kuvantamisen tarkkuudeksi 90%. Etenkin feokromosytoomien ensivaiheen diagnostiikassa ja NE-kasvaimen uusiutumaa epäiltäessä menetelmän tarkkuus oli korkea. Kokonaisuudessaan 59%:lla aineiston potilaista 18F-DOPA-PET kuvantamisella oli vaikutusta kliinisiin hoitoratkaisuihin. Johtopäätökset: PET/TT käyttäen merkkiaineena 18F-FDG:tä ja radiovettä osoittautui käyttökelpoiseksi menetelmäksi haimakasvaimien erotusdiagnostiikassa. Lisäksi 18F-FDG-PET/TT oli hyödyllinen haimasyövän etäpesäkkeiden arvioinnissa. Tutkimus osoitti myös 18F-DOPA-PET kuvantamisen olevan luotettava menetelmä insulinoomien ja muiden vatsan alueen NE-kasvaimien ensivaiheen diagnostiikassa sekä levinneisyyden arvioinnissa, etenkin muiden kuvantamislöydösten ollessa ristiriitaisia. PET kuvantamisella oli merkittävä vaikutus potilaiden kliiniseen hoitokäytäntöön sekä haima- että NE-kasvaimissa.Siirretty Doriast

Deep learning-based diagnostic system for malignant liver detection

Cancer is the second most common cause of death of human beings, whereas liver cancer is the fifth most common cause of mortality. The prevention of deadly diseases in living beings requires timely, independent, accurate, and robust detection of ailment by a computer-aided diagnostic (CAD) system. Executing such intelligent CAD requires some preliminary steps, including preprocessing, attribute analysis, and identification. In recent studies, conventional techniques have been used to develop computer-aided diagnosis algorithms. However, such traditional methods could immensely affect the structural properties of processed images with inconsistent performance due to variable shape and size of region-of-interest. Moreover, the unavailability of sufficient datasets makes the performance of the proposed methods doubtful for commercial use. To address these limitations, I propose novel methodologies in this dissertation. First, I modified a generative adversarial network to perform deblurring and contrast adjustment on computed tomography (CT) scans. Second, I designed a deep neural network with a novel loss function for fully automatic precise segmentation of liver and lesions from CT scans. Third, I developed a multi-modal deep neural network to integrate pathological data with imaging data to perform computer-aided diagnosis for malignant liver detection. The dissertation starts with background information that discusses the proposed study objectives and the workflow. Afterward, Chapter 2 reviews a general schematic for developing a computer-aided algorithm, including image acquisition techniques, preprocessing steps, feature extraction approaches, and machine learning-based prediction methods. The first study proposed in Chapter 3 discusses blurred images and their possible effects on classification. A novel multi-scale GAN network with residual image learning is proposed to deblur images. The second method in Chapter 4 addresses the issue of low-contrast CT scan images. A multi-level GAN is utilized to enhance images with well-contrast regions. Thus, the enhanced images improve the cancer diagnosis performance. Chapter 5 proposes a deep neural network for the segmentation of liver and lesions from abdominal CT scan images. A modified Unet with a novel loss function can precisely segment minute lesions. Similarly, Chapter 6 introduces a multi-modal approach for liver cancer variants diagnosis. The pathological data are integrated with CT scan images to diagnose liver cancer variants. In summary, this dissertation presents novel algorithms for preprocessing and disease detection. Furthermore, the comparative analysis validates the effectiveness of proposed methods in computer-aided diagnosis

Surgically treated renal cell carcinoma : Prognostic factors and outcomes of treatment

Background Kidney cancer is the 12th most common malignancy worldwide, accounting for over 400,000 new cases in 2018 (1). As renal cell carcinoma (RCC) incidence and mortality, as well as treatment patterns, vary widely in Europe, to plan strategies for the future, we need to comprehend the current situation in Finland. Accurate prognostic tools are essential for detecting cancers amongst the tumours noted in imaging studies and choosing optimal treatment for cancer patients. The Tumor, Node, Metastasis (TNM) staging system and International Society of Urologic Pathology (ISUP)/Fuhrman grading system are the most commonly used prognostic parameters for RCC. Currently, risk stratification relies on prognostic nomograms or risk stratification tools combining clinical, anatomical and histopathological data. However, these models have well-known limitations. Treatment for RCC is changing. Over the last decades, more incidental RCCs were found, and more minor lesions were operated on using less invasive techniques. At the opposite end of the disease spectrum, selected metastatic RCC patients receive a combined treatment consisting of nephrectomy, metastasectomy and oncologic therapies. Surgery for locally advanced and metastasised tumours must be justified by the prospect of an improved outcome or quality of life. Decisions to operate on metastatic RCCs are currently based on expert opinions and nomograms designed for targeted therapy survival estimations only. Thus, better prognostic markers and diagnostic tools are needed. Aims The aims of this PhD study were to evaluate the current changes in the clinical picture, treatment and outcomes of RCC in Helsinki University Hospital district. Further analysis was done to determine the clinical outcomes of surgically treated RCC with tumour thrombus and metastasised RCC (mRCC). The authors aimed to externally validate the performance of the Leuven-Udine (LU) prognostic group model for mRCC and to evaluate the prognostic value of serum concentration of tumour-associated trypsin inhibitor (TATI). The performance of renal tumour diameter and parenchymal invasion depth was compared with more complex classifications to assess their accuracy in predicting the nephrectomy performed. Patients and methods All patients studied were either suspected to have RCC or had RCC, and the majority of patients underwent nephrectomy at the Helsinki University Hospital (HUH). There were 1,719 patients with tumours suspected of RCC evaluated in four periods from 2006 to 2016 for clinical characteristics and treatments offered. From 2006–2014, 142 RCC patients with tumour thrombus (TT) were operated on at HUH. In total, using computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) images of 915 patients, tumour maximum diameter, depth of invasion, Preoperative Aspects and Dimensions Used for an Anatomical (PADUA) score and Renal Tumour Invasion Index (RTII) were estimated. There were 97 patients with metastatic RCC undergoing surgery for metastases. Preoperative and postoperative serum levels of tumour associated trypsin inhibitor (S-TATI) of 132 RCC patients were determined by time-resolved immunofluorescence assay in 2006-2010. Main results and conclusions During the study period, the proportions of frail and co-morbid patients increased significantly as did the percentage of small (diameter ≤4 cm) and asymptomatic tumours. The use of surveillance as treatment increased significantly while the use of cytoreductive nephrectomies (CNs) decreased to 54%. However, CN combined with tyrosine kinase inhibitors remained the primary option in patients with metastatic RCC. However, the changing landscape of RCCs has already affected and will increasingly affect the treatments given. For RCC patients with TT, no statistically significant difference in survival was found amongst the different levels of the venous extension. The prognosis for operated RCC patients with TT was good in the absence of papillary histology of primary tumour, lymphoid or distant metastases. Surgery also remains a feasible option for selected patients in the era of modern oncologic therapy. In predicting the type of nephrectomy, partial or radical, the simple measurements of tumour diameter and parenchymal invasion, were superior to the more complex classification. Hence, all of them were significant predictors for nephrectomy type. Our results recommend that potential anatomical classifications should be tested against these user-friendly measurements, diameter and parenchymal invasion. Overall survival (OS) was more favourable for patients undergoing complete metastasectomy than patients with non-complete metastasectomy and time to systemic therapy was longer. Patients with skeletal metastases had shorter survival than patients with other metastatic sites whereas patients with lung metastases had the most favourable prognosis. In this study population, the performance of the LU prognostic group model could not be validated. Despite the abundant amount of inauspicious prognostic factors in our patient cohort, survival rates were reasonable. Significant associations with preoperative S-TATI and Chronic Kidney Disease Stage (CKD grade), tumour stage, lymph-node involvement, metastatic status and preoperative C-reactive protein (CRP) level were noted. S-TATI, as a continuous variable, however, significantly predicted OS and cancer-specific survival (CSS). Prognostic significance of S-TATI should be further studied in larger patient cohorts and prospective settings.Munuaissyöpä on iäkkäiden tauti. Munuaiskasvaimet todetaan tavallisesti muista syistä tehtyjen kuvantamistutkimusten takia. Pelkät kuvantamistutkimukset eivät aina riitä taudin luonteen selvittämiseksi. Paikallisen taudin ensisijainen hoito on munuaisen poisto tai kasvaimen osapoisto, ja taudin ennuste on yleensä hyvä. Laskimoihin kasvaintappina edenneitä munuaissyöpiä pyritään ensisijaisesti hoitamaan leikkaushoidolla. Etäpesäkkeistä tautia hoidetaan lääkehoidolla, mutta voidaan valikoiduissa tapauksissa hoitaa myös emokasvaimen poistolla yhdistettynä tarvittaessa etäpesäkkeiden poistoon. Jotta raskaat kirurgiset toimenpiteet levinneessä taudissa tai muuten hauraille potilaille voidaan perustella, tulee olla selvää näyttöä hyödystä joko elinaikalisänä tai parantuneena elämänlaatuna ja oman alueen kirurgiset tulokset ja komplikaatiomäärät tulee tietää. Väitöskirjatutkimus tehtiin Helsingin yliopistosairaalassa leikatuista tai seuratuista potilaista, joilla oli munuaissyöväksi epäilty kasvain tai munuaissyöpä. Potilaita oli 1719, ja heitä oli hoidettu ja seurattu vuosina 2006-2016. Aineistossamme vuosien 2006-2016 välillä selvästi sairaampien ja vanhempien potilaiden sekä pienten todettujen munuaiskasvainten osuudet kasvoivat merkittävästi. Seuranta hoitomuotona lisääntyi, kun taas emokasvainten poistojen määrä etäpesäkkeisessä taudissa väheni. Potilaiden, joilla oli laskimotapillisten munuaissyöpä, ennuste leikkaushoidon jälkeen oli suotuisa. Tosin emokasvaimen papillaarinen histologia ja levinneisyys imusolmukkeisiin tai kauemmas huononsivat leikatun potilaan ennustetta. Täydellinen etäpesäkkeen ja emokasvaimen poisto pidensi eloonjäämisaikaa ja siirsi munuaissyövän lääkehoidon aloitusta pidemmälle verrattuna leikkaukseen, jossa ei saatu kaikkea syöpämateriaalia poistettua, levinnyttä munuaissyöpää sairastavilla potilailla. Keuhkoetäpesäkkeisillä potilailla oli paras ennuste, ja luustoetäpesäkkeisillä huonoin. Yksinkertaiset anatomiset mitat, kasvaimen halkaisija ja kasvusyvyys, ennustivat monimutkaisempia luokituksia paremmin, tehtiinkö paikallisen munuaiskasvaimen hoidoksi munuaisen kokopoisto vai osapoisto. Leikkauksen jälkeen mitattuna seerumin TATI -merkkiaine ennusti kokonaiskuolleisuutta ja syöpäkuolleisuutta aineistomme munuaissyöpäpotilailla. Todellisen ennusteellisen merkityksen selvittämiseksi S-TATIa pitäisi tutkia suuremmassa aineistossa etenevässä tutkimusasetelmassa. Lisää työkaluja kaivataan sekä syöpien löytämiseksi hyvänlaatuisten munuaismuutosten joukosta että valitsemaan oikeat potilaat oikeisiin hoitoihin tai seurantaan ja määrittelemään seurannan tiheyden. Kun entistä vanhemmilla, hauraammilla ja sairaammilla potilailla löytyy aiempaa pienempiä kasvaimia, tulee hoidon hyötyjä ja haittoja punnita tarkasti. Tällä hetkellä syöpäkuoleman ja uusiutumisen riskiä ennustetaan munuaiskasvaimen anatomiasta, histologiasta sekä kliinisistä tiedoista koostetuilla pisteytysjärjestelmillä. Tarkempia ennusteellisia biomarkkereita etsitään kuumeisesti. Parhaat merkkiaineet olisivat esimerkiksi verestä tai virtsasta mitattavia, jotta kajoavia toimenpiteitä ei tarvittaisi –toistaiseksi yhtään tarkkaa ja kliiniseen tai tutkimuskäyttöön sopivaa merkkiainetta ei ole onnistuttu löytämään