Semantic Segmentation of Ambiguous Images

Medizinische Bilder können schwer zu interpretieren sein. Nicht nur weil das Erkennen von Strukturen und möglichen Veränderungen Erfahrung und jahrelanges Training bedarf, sondern auch weil die dargestellten Messungen oft im Kern mehrdeutig sind. Fundamental ist dies eine Konsequenz dessen, dass medizinische Bild-Modalitäten, wie bespielsweise MRT oder CT, nur indirekte Messungen der zu Grunde liegenden molekularen Identitäten bereithalten. Die semantische Bedeutung eines Bildes kann deshalb im Allgemeinen nur gegeben einem größeren Bild-Kontext erfasst werden, welcher es oft allerdings nur unzureichend erlaubt eine eindeutige Interpretation in Form einer einzelnen Hypothese vorzunehmen. Ähnliche Szenarien existieren in natürlichen Bildern, in welchen die Kontextinformation, die es braucht um Mehrdeutigkeiten aufzulösen, limitiert sein kann, beispielsweise aufgrund von Verdeckungen oder Rauschen in der Aufnahme. Zusätzlich können überlappende oder vage Klassen-Definitionen zu schlecht gestellten oder diversen Lösungsräumen führen. Die Präsenz solcher Mehrdeutigkeiten kann auch das Training und die Leistung von maschinellen Lernverfahren beeinträchtigen. Darüber hinaus sind aktuelle Modelle ueberwiegend unfähig komplex strukturierte und diverse Vorhersagen bereitzustellen und stattdessen dazu gezwungen sich auf sub-optimale, einzelne Lösungen oder ununterscheidbare Mixturen zu beschränken. Dies kann besonders problematisch sein wenn Klassifikationsverfahren zu pixel-weisen Vorhersagen wie in der semantischen Segmentierung skaliert werden. Die semantische Segmentierung befasst sich damit jedem Pixel in einem Bild eine Klassen-Kategorie zuzuweisen. Diese Art des detailierten Bild-Verständnisses spielt auch eine wichtige Rolle in der Diagnose und der Behandlung von Krankheiten wie Krebs: Tumore werden häufig in MRT oder CT Bildern entdeckt und deren präzise Lokalisierung und Segmentierung ist von grosser Bedeutung in deren Bewertung, der Vorbereitung möglicher Biopsien oder der Planung von Fokal-Therapien. Diese klinischen Bildverarbeitungen, aber auch die optische Wahrnehmung unserer Umgebung im Rahmen von täglichen Aufgaben wie dem Autofahren, werden momentan von Menschen durchgeführt. Als Teil des zunehmenden Einbindens von maschinellen Lernverfahren in unsere Entscheidungsfindungsprozesse, ist es wichtig diese Aufgaben adequat zu modellieren. Dies schliesst Unsicherheitsabschätzungen der Modellvorhersagen mit ein, mitunter solche Unsicherheiten die den Bild-Mehrdeutigkeiten zugeschrieben werden können. Die vorliegende Thesis schlägt mehrere Art und Weisen vor mit denen mit einer mehrdeutigen Bild-Evidenz umgegangen werden kann. Zunächst untersuchen wir den momentanen klinischen Standard der im Falle von Prostata Läsionen darin besteht, die MRT-sichtbaren Läsionen subjektiv auf ihre Aggressivität hin zu bewerten, was mit einer hohen Variabilität zwischen Bewertern einhergeht. Unseren Studien zufolge können bereits einfache machinelle Lernverfahren und sogar simple quantitative MRT-basierte Parameter besser abschneiden als ein individueller, subjektiver Experte, was ein vielversprechendes Potential der Quantifizerung des Prozesses nahelegt. Desweiteren stellen wir die derzeit erfolgreichste Segmentierungsarchitektur auf einem stark mehrdeutigen Datensatz zur Probe der während klinischer Routine erhoben und annotiert wurde. Unsere Experimente zeigen, dass die standard Segmentierungsverlustfuntion in Szenarien mit starkem Annotationsrauschen sub-optimal sein kann. Als eine Alternative erproben wir die Möglichkeit ein Modell der Verlustunktion zu lernen mit dem Ziel die Koexistenz von plausiblen Lösungen während des Trainings zuzulassen. Wir beobachten gesteigerte Performanz unter Verwendung dieser Trainingsmethode für ansonsten unveränderte neuronale Netzarchitekturen und finden weiter gesteigerte relative Verbesserungen im Limit weniger Daten. Mangel an Daten und Annotationen, hohe Maße an Bild- und Annotationsrauschen sowie mehrdeutige Bild-Evidenz finden sich besonders häufig in Datensätzen medizinischer Bilder wieder. Dieser Teil der Thesis exponiert daher einige der Schwächen die standard Techniken des maschinellen Lernens im Lichte dieser Besonderheiten aufweisen können. Derzeitige Segmentierungsmodelle, wie die zuvor Herangezogenen, sind dahingehend eingeschränkt, dass sie nur eine einzige Vorhersage abgeben können. Dies kontrastiert die Beobachtung dass eine Gruppe von Annotierern, gegeben mehrdeutiger Bilddaten, typischer Weise eine Menge an diverser aber plausibler Annotationen produziert. Um die vorgenannte Modell-Einschränkung zu beheben und die angemessen probabilistische Behandlung der Aufgabe zu ermöglichen, entwickeln wir zwei Modelle, die eine Verteilung über plausible Annotationen vorhersagen statt nur einer einzigen, deterministischen Annotation. Das erste der beiden Modelle kombiniert ein `encoder-decoder\u27 Modell mit dem Verfahren der `variational inference\u27 und verwendet einen globalen `latent vector\u27, der den Raum der möglichen Annotationen für ein gegebenes Bild kodiert. Wir zeigen, dass dieses Modell deutlich besser als die Referenzmethoden abschneidet und gut kalibrierte Unsicherheiten aufweist. Das zweite Modell verbessert diesen Ansatz indem es eine flexiblere und hierarchische Formulierung verwendet, die es erlaubt die Variabilität der Segmentierungen auf verschiedenden Skalen zu erfassen. Dies erhöht die Granularität der Segmentierungsdetails die das Modell produzieren kann und erlaubt es unabhängig variierende Bildregionen und Skalen zu modellieren. Beide dieser neuartigen generativen Segmentierungs-Modelle ermöglichen es, falls angebracht, diverse und kohärente Bild Segmentierungen zu erstellen, was im Kontrast zu früheren Arbeiten steht, welche entweder deterministisch sind, die Modellunsicherheiten auf der Pixelebene modellieren oder darunter leiden eine unangemessen geringe Diversität abzubilden. Im Ergebnis befasst sich die vorliegende Thesis mit der Anwendung von maschinellem Lernen für die Interpretation medizinischer Bilder: Wir zeigen die Möglichkeit auf den klinischen Standard mit Hilfe einer quantitativen Verwendung von Bildparametern, die momentan nur subjektiv in Diagnosen einfliessen, zu verbessern, wir zeigen den möglichen Nutzen eines neuen Trainingsverfahrens um die scheinbare Verletzlichkeit der standard Segmentierungsverlustfunktion gegenüber starkem Annotationsrauschen abzumildern und wir schlagen zwei neue probabilistische Segmentierungsmodelle vor, die die Verteilung über angemessene Annotationen akkurat erlernen können. Diese Beiträge können als Schritte hin zu einer quantitativeren, verstärkt Prinzipien-gestützten und unsicherheitsbewussten Analyse von medizinischen Bildern gesehen werden -ein wichtiges Ziel mit Blick auf die fortschreitende Integration von lernbasierten Systemen in klinischen Arbeitsabläufen

Computer-Aided Detection and diagnosis for prostate cancer based on mono and multi-parametric MRI: A review

International audienceProstate cancer is the second most diagnosed cancer of men all over the world. In the last decades, new imaging techniques based on Magnetic Resonance Imaging (MRI) have been developed improving diagnosis.In practise, diagnosis can be affected by multiple factors such as observer variability and visibility and complexity of the lesions. In this regard, computer-aided detection and computer-aided diagnosis systemshave been designed to help radiologists in their clinical practice. Research on computer-aided systems specifically focused for prostate cancer is a young technology and has been part of a dynamic field ofresearch for the last ten years. This survey aims to provide a comprehensive review of the state of the art in this lapse of time, focusing on the different stages composing the work-flow of a computer-aidedsystem. We also provide a comparison between studies and a discussion about the potential avenues for future research. In addition, this paper presents a new public online dataset which is made available to theresearch community with the aim of providing a common evaluation framework to overcome some of the current limitations identified in this survey

Online tracking and retargeting with applications to optical biopsy in gastrointestinal endoscopic examinations

With recent advances in biophotonics, techniques such as narrow band imaging, confocal laser endomicroscopy, fluorescence spectroscopy, and optical coherence tomography, can be combined with normal white-light endoscopes to provide in vivo microscopic tissue characterisation, potentially avoiding the need for offline histological analysis. Despite the advantages of these techniques to provide online optical biopsy in situ, it is challenging for gastroenterologists to retarget the optical biopsy sites during endoscopic examinations. This is because optical biopsy does not leave any mark on the tissue. Furthermore, typical endoscopic cameras only have a limited field-of-view and the biopsy sites often enter or exit the camera view as the endoscope moves. In this paper, a framework for online tracking and retargeting is proposed based on the concept of tracking-by-detection. An online detection cascade is proposed where a random binary descriptor using Haar-like features is included as a random forest classifier. For robust retargeting, we have also proposed a RANSAC-based location verification component that incorporates shape context. The proposed detection cascade can be readily integrated with other temporal trackers. Detailed performance evaluation on in vivo gastrointestinal video sequences demonstrates the performance advantage of the proposed method over the current state-of-the-art

Intraoperative Organ Motion Models with an Ensemble of Conditional Generative Adversarial Networks

In this paper, we describe how a patient-specific, ultrasound-probe-induced prostate motion model can be directly generated from a single preoperative MR image. Our motion model allows for sampling from the conditional distribution of dense displacement fields, is encoded by a generative neural network conditioned on a medical image, and accepts random noise as additional input. The generative network is trained by a minimax optimisation with a second discriminative neural network, tasked to distinguish generated samples from training motion data. In this work, we propose that 1) jointly optimising a third conditioning neural network that pre-processes the input image, can effectively extract patient-specific features for conditioning; and 2) combining multiple generative models trained separately with heuristically pre-disjointed training data sets can adequately mitigate the problem of mode collapse. Trained with diagnostic T2-weighted MR images from 143 real patients and 73,216 3D dense displacement fields from finite element simulations of intraoperative prostate motion due to transrectal ultrasound probe pressure, the proposed models produced physically-plausible patient-specific motion of prostate glands. The ability to capture biomechanically simulated motion was evaluated using two errors representing generalisability and specificity of the model. The median values, calculated from a 10-fold cross-validation, were 2.8+/-0.3 mm and 1.7+/-0.1 mm, respectively. We conclude that the introduced approach demonstrates the feasibility of applying state-of-the-art machine learning algorithms to generate organ motion models from patient images, and shows significant promise for future research.Comment: Accepted to MICCAI 201

End-to-end Prostate Cancer Detection in bpMRI via 3D CNNs: Effects of Attention Mechanisms, Clinical Priori and Decoupled False Positive Reduction

We present a multi-stage 3D computer-aided detection and diagnosis (CAD) model for automated localization of clinically significant prostate cancer (csPCa) in bi-parametric MR imaging (bpMRI). Deep attention mechanisms drive its detection network, targeting salient structures and highly discriminative feature dimensions across multiple resolutions. Its goal is to accurately identify csPCa lesions from indolent cancer and the wide range of benign pathology that can afflict the prostate gland. Simultaneously, a decoupled residual classifier is used to achieve consistent false positive reduction, without sacrificing high sensitivity or computational efficiency. In order to guide model generalization with domain-specific clinical knowledge, a probabilistic anatomical prior is used to encode the spatial prevalence and zonal distinction of csPCa. Using a large dataset of 1950 prostate bpMRI paired with radiologically-estimated annotations, we hypothesize that such CNN-based models can be trained to detect biopsy-confirmed malignancies in an independent cohort. For 486 institutional testing scans, the 3D CAD system achieves 83.69$\pm$5.22% and 93.19$\pm$2.96% detection sensitivity at 0.50 and 1.46 false positive(s) per patient, respectively, with 0.882$\pm$0.030 AUROC in patient-based diagnosis $-$significantly outperforming four state-of-the-art baseline architectures (U-SEResNet, UNet++, nnU-Net, Attention U-Net) from recent literature. For 296 external biopsy-confirmed testing scans, the ensembled CAD system shares moderate agreement with a consensus of expert radiologists (76.69%; $kappa$ $=$ 0.51$\pm$0.04) and independent pathologists (81.08%; $kappa$ $=$ 0.56$\pm$0.06); demonstrating strong generalization to histologically-confirmed csPCa diagnosis.Comment: Accepted to MedIA: Medical Image Analysis. This manuscript incorporates and expands upon our 2020 Medical Imaging Meets NeurIPS Workshop paper (arXiv:2011.00263