Keypoint Transfer for Fast Whole-Body Segmentation

We introduce an approach for image segmentation based on sparse correspondences between keypoints in testing and training images. Keypoints represent automatically identified distinctive image locations, where each keypoint correspondence suggests a transformation between images. We use these correspondences to transfer label maps of entire organs from the training images to the test image. The keypoint transfer algorithm includes three steps: (i) keypoint matching, (ii) voting-based keypoint labeling, and (iii) keypoint-based probabilistic transfer of organ segmentations. We report segmentation results for abdominal organs in whole-body CT and MRI, as well as in contrast-enhanced CT and MRI. Our method offers a speed-up of about three orders of magnitude in comparison to common multi-atlas segmentation, while achieving an accuracy that compares favorably. Moreover, keypoint transfer does not require the registration to an atlas or a training phase. Finally, the method allows for the segmentation of scans with highly variable field-of-view.Comment: Accepted for publication at IEEE Transactions on Medical Imagin

Informative sample generation using class aware generative adversarial networks for classification of chest Xrays

Training robust deep learning (DL) systems for disease detection from medical images is challenging due to limited images covering different disease types and severity. The problem is especially acute, where there is a severe class imbalance. We propose an active learning (AL) framework to select most informative samples for training our model using a Bayesian neural network. Informative samples are then used within a novel class aware generative adversarial network (CAGAN) to generate realistic chest xray images for data augmentation by transferring characteristics from one class label to another. Experiments show our proposed AL framework is able to achieve state-of-the-art performance by using about $35\%$ of the full dataset, thus saving significant time and effort over conventional methods

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

From Fully-Supervised, Single-Task to Scarcely-Supervised, Multi-Task Deep Learning for Medical Image Analysis

Image analysis based on machine learning has gained prominence with the advent of deep learning, particularly in medical imaging. To be effective in addressing challenging image analysis tasks, however, conventional deep neural networks require large corpora of annotated training data, which are unfortunately scarce in the medical domain, thus often rendering fully-supervised learning strategies ineffective.This thesis devises for use in a variety of medical image analysis applications a series of novel deep learning methods, ranging from fully-supervised, single-task learning to scarcely-supervised, multi-task learning that makes efficient use of annotated training data. Specifically, its main contributions include (1) fully-supervised, single-task learning for the segmentation of pulmonary lobes from chest CT scans and the analysis of scoliosis from spine X-ray images; (2) supervised, single-task, domain-generalized pulmonary segmentation in chest X-ray images and retinal vasculature segmentation in fundoscopic images; (3) largely-unsupervised, multiple-task learning via deep generative modeling for the joint synthesis and classification of medical image data; and (4) partly-supervised, multiple-task learning for the combined segmentation and classification of chest and spine X-ray images

Data efficient deep learning for medical image analysis: A survey

The rapid evolution of deep learning has significantly advanced the field of medical image analysis. However, despite these achievements, the further enhancement of deep learning models for medical image analysis faces a significant challenge due to the scarcity of large, well-annotated datasets. To address this issue, recent years have witnessed a growing emphasis on the development of data-efficient deep learning methods. This paper conducts a thorough review of data-efficient deep learning methods for medical image analysis. To this end, we categorize these methods based on the level of supervision they rely on, encompassing categories such as no supervision, inexact supervision, incomplete supervision, inaccurate supervision, and only limited supervision. We further divide these categories into finer subcategories. For example, we categorize inexact supervision into multiple instance learning and learning with weak annotations. Similarly, we categorize incomplete supervision into semi-supervised learning, active learning, and domain-adaptive learning and so on. Furthermore, we systematically summarize commonly used datasets for data efficient deep learning in medical image analysis and investigate future research directions to conclude this survey.Comment: Under Revie