Comparison of image registration methods for composing spectral retinal images

Spectral retinal images have signficant potential for improving the early detection and visualization of subtle changes due to eye diseases and many systemic diseases. High resolution in both the spatial and the spectral domain can be achieved by capturing a set of narrowband channel images from which the spectral images are composed. With imaging techniques where the eye movement between the acquisition of the images is unavoidable, image registration is required. In this paper, the applicability of the state-of-the-art image registration methods for the composition of spectral retinal images is studied. The registration methods are quantitatively compared using synthetic channel image data of an eye phantom and semisynthetic set of retinal channel images subjected to known transformations. The experiments show that Generalized dual-bootstrap iterative closest point method outperforms the other evaluated methods in registration accuracy and the number of successful registrations

Transscleral Optical Phase Imaging of the Human Retina.

In-vivo observation of the human retina at the cellular level is crucial to detect the first signs of retinal diseases and properly treat them. Despite the phenomenal advances in adaptive optics (AO) systems, clinical imaging of many retinal cells is still elusive due to the low signal-to-noise ratio induced by transpupillary illumination. We present a transscleral optical phase imaging (TOPI) method, which relies on high-angle oblique illumination of the retina, combined with AO, to enhance cell contrast. Examination of eleven healthy volunteer eyes, without pupil dilation, shows the ability of this method to produce in-vivo images of retinal cells, from the retinal pigment epithelium to the nerve fibre layer. This method also allows the generation of high-resolution label-free ex-vivo phase images of flat-mounted retinas. The 4.4°x 4.4° field-of-view in-vivo images are recorded in less than 10 seconds, opening new avenues in the exploration of healthy and diseased retinas

Total flow intensity, active flow intensity and volume related flow intensity as new quantitative metrics in optical coherence tomography angiography

Optical coherence tomography (OCT) angiography (OCTA) is a non-invasive tool for the in-vivo study of the intraretinal vascular network. It is based on the analysis of motion particles within the retina to reconstruct the paths followed by the erythrocytes, i.e. retinal capillaries. To date, qualitative and quantitative information are based on the morphological features disclosed by retinal capillaries. In the present study, we proposed new quantitative functional metrics, named Total Flow Intensity (TFI), Active Flow Intensity (AFI), and Volume-related Flow Intensity (VFI), based on the processing of the blood flow signal detected by OCTA. We studied these metrics in a cohort of healthy subjects, and we assessed their clinical utility by including a cohort of age-matched patients affected by Stargardt disease. Moreover, we compared TFI, AFI, and VFI to the widely used vessel density (VD) parameter. TFI, AFI, and VFI were able to describe in detail the different properties of the retinal vascular compartment. In particular, TFI was intended as the overall amount of volumetric retinal blood flow. AFI represented a selective measure of voxels disclosing blood flow signal. VFI was developed to put in relationship the volumetric blood flow information with the not vascularized retinal volume. In conclusion, TFI, AFI, and VFI were proposed as feasible functional OCTA biomarkers based on the analysis of retinal blood flow signal

A clinically translatable hyperspectral endoscopy (HySE) system for imaging the gastrointestinal tract.

Hyperspectral imaging (HSI) enables visualisation of morphological and biochemical information, which could improve disease diagnostic accuracy. Unfortunately, the wide range of image distortions that arise during flexible endoscopy in the clinic have made integration of HSI challenging. To address this challenge, we demonstrate a hyperspectral endoscope (HySE) that simultaneously records intrinsically co-registered hyperspectral and standard-of-care white light images, which allows image distortions to be compensated computationally and an accurate hyperspectral data cube to be reconstructed as the endoscope moves in the lumen. Evaluation of HySE performance shows excellent spatial, spectral and temporal resolution and high colour fidelity. Application of HySE enables: quantification of blood oxygenation levels in tissue mimicking phantoms; differentiation of spectral profiles from normal and pathological ex vivo human tissues; and recording of hyperspectral data under freehand motion within an intact ex vivo pig oesophagus model. HySE therefore shows potential for enabling HSI in clinical endoscopy

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial

Deep learning-based improvement for the outcomes of glaucoma clinical trials

Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. It is a progressive optic neuropathy in which retinal ganglion cell (RGC) axon loss, probably as a consequence of damage at the optic disc, causes a loss of vision, predominantly affecting the mid-peripheral visual field (VF). Glaucoma results in a decrease in vision-related quality of life and, therefore, early detection and evaluation of disease progression rates is crucial in order to assess the risk of functional impairment and to establish sound treatment strategies. The aim of my research is to improve glaucoma diagnosis by enhancing state of the art analyses of glaucoma clinical trial outcomes using advanced analytical methods. This knowledge would also help better design and analyse clinical trials, providing evidence for re-evaluating existing medications, facilitating diagnosis and suggesting novel disease management. To facilitate my objective methodology, this thesis provides the following contributions: (i) I developed deep learning-based super-resolution (SR) techniques for optical coherence tomography (OCT) image enhancement and demonstrated that using super-resolved images improves the statistical power of clinical trials, (ii) I developed a deep learning algorithm for segmentation of retinal OCT images, showing that the methodology consistently produces more accurate segmentations than state-of-the-art networks, (iii) I developed a deep learning framework for refining the relationship between structural and functional measurements and demonstrated that the mapping is significantly improved over previous techniques, iv) I developed a probabilistic method and demonstrated that glaucomatous disc haemorrhages are influenced by a possible systemic factor that makes both eyes bleed simultaneously. v) I recalculated VF slopes, using the retinal never fiber layer thickness (RNFLT) from the super-resolved OCT as a Bayesian prior and demonstrated that use of VF rates with the Bayesian prior as the outcome measure leads to a reduction in the sample size required to distinguish treatment arms in a clinical trial

Advances in Stereo Vision

Stereopsis is a vision process whose geometrical foundation has been known for a long time, ever since the experiments by Wheatstone, in the 19th century. Nevertheless, its inner workings in biological organisms, as well as its emulation by computer systems, have proven elusive, and stereo vision remains a very active and challenging area of research nowadays. In this volume we have attempted to present a limited but relevant sample of the work being carried out in stereo vision, covering significant aspects both from the applied and from the theoretical standpoints

Optic Nerve Head Image Analysis for Glaucoma Progression Detection

Glaucoma is a leading cause of visual disability across the world and when diagnosed the glaucoma patient will spend the rest of their life receiving treatment in managed clinical care. In the glaucoma clinic, retinal and optic nerve head (ONH) imaging can be used to help the clinician to manage patient treatment appropriately. By providing high resolution images of the optic nerve head structures and identifying changes therein related to disease onset and progression, an objective measure can be obtained as to how well or badly treatment is preventing further disease damage. This thesis contributes to the field of glaucoma progression detection by the analysis of clinical imaging data using confocal scanning laser tomography (CSLT). Primarily it is an investigation of how best to appraise and optimise current algorithms which aim to detect these glaucomatous structural changes in the optic nerve head. This is done by addressing how the performance of these methods can be best assessed in the absence of a gold standard for glaucomatous structural progression. Glaucoma expert assessment of photographs of the optic disc is the current clinical standard of assessing glaucomatous damage evident in the ONH. This is used in this thesis to act as a reference standard by which these algorithms can be compared. In addition, the statistical principles underpinning trend detection techniques are also investigated along with the performance of these techniques to detect trends in CSLT data in the presence of different types of measurement noise and image quality. A new computer model is developed and validated to simulate stable series of CSLT images, with realistic variability, which can be used to benchmark the false-positive rates of current and future progression algorithms. In conclusion, the main results reported in this thesis show that uncertainties involved in expert assessment of change in ONH photographs limits this as a reference standard for structural change in glaucoma. In addition, since stability in clinical datasets is uncertain, simulation using modelled series is shown to provide a new benchmark for comparing methods of progression detection