A Convolutional Neural Network for the Automatic Diagnosis of Collagen VI related Muscular Dystrophies

The development of machine learning systems for the diagnosis of rare diseases is challenging mainly due the lack of data to study them. Despite this challenge, this paper proposes a system for the Computer Aided Diagnosis (CAD) of low-prevalence, congenital muscular dystrophies from confocal microscopy images. The proposed CAD system relies on a Convolutional Neural Network (CNN) which performs an independent classification for non-overlapping patches tiling the input image, and generates an overall decision summarizing the individual decisions for the patches on the query image. This decision scheme points to the possibly problematic areas in the input images and provides a global quantitative evaluation of the state of the patients, which is fundamental for diagnosis and to monitor the efficiency of therapies.Comment: Submitted for review to Expert Systems With Application

Texture analysis and Its applications in biomedical imaging: a survey

Texture analysis describes a variety of image analysis techniques that quantify the variation in intensity and pattern. This paper provides an overview of several texture analysis approaches addressing the rationale supporting them, their advantages, drawbacks, and applications. This survey’s emphasis is in collecting and categorising over five decades of active research on texture analysis.Brief descriptions of different approaches are presented along with application examples. From a broad range of texture analysis applications, this survey’s final focus is on biomedical image analysis. An up-to-date list of biological tissues and organs in which disorders produce texture changes that may be used to spot disease onset and progression is provided. Finally, the role of texture analysis methods as biomarkers of disease is summarised.Manuscript received February 3, 2021; revised June 23, 2021; accepted September 21, 2021. Date of publication September 27, 2021; date of current version January 24, 2022. This work was supported in part by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under Grants PTDC/EMD-EMD/28039/2017, UIDB/04950/2020, PestUID/NEU/04539/2019, and CENTRO-01-0145-FEDER-000016 and by FEDER-COMPETE under Grant POCI-01-0145-FEDER-028039. (Corresponding author: Rui Bernardes.)info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Multi-modal classifier fusion with feature cooperation for glaucoma diagnosis

Background: Glaucoma is a major public health problem that can lead to an optic nerve lesion, requiring systematic screening in the population over 45 years of age. The diagnosis and classification of this disease have had a marked and excellent development in recent years, particularly in the machine learning domain. Multimodal data have been shown to be a significant aid to the machine learning domain, especially by its contribution to improving data driven decision-making. Method: Solving classification problems by combinations of classifiers has made it possible to increase the robustness as well as the classification reliability by using the complementarity that may exist between the classifiers. Complementarity is considered a key property of multimodality. A Convolutional Neural Network (CNN) works very well in pattern recognition and has been shown to exhibit superior performance, especially for image classification which can learn by themselves useful features from raw data. This article proposes a multimodal classification approach based on deep Convolutional Neural Network and Support Vector Machine (SVM) classifiers using multimodal data and multimodal feature for glaucoma diagnosis from retinal fundus images from RIM-ONE dataset. We make use of handcrafted feature descriptors such as the Gray Level Co-Occurrence Matrix, Central Moments and Hu Moments to co-operate with features automatically generated by the CNN in order to properly detect the optic nerve and consequently obtain a better classification rate, allowing a more reliable diagnosis of glaucoma. Results: The experimental results confirm that the combination of classifiers using the BWWV technique is better than learning classifiers separately. The proposed method provides a computerized diagnosis system for glaucoma disease with impressive results comparing them to the main related studies that allow us to continue in this research path

Fundus image analysis for automatic screening of ophthalmic pathologies

En los ultimos años el número de casos de ceguera se ha reducido significativamente. A pesar de este hecho, la Organización Mundial de la Salud estima que un 80% de los casos de pérdida de visión (285 millones en 2010) pueden ser evitados si se diagnostican en sus estadios más tempranos y son tratados de forma efectiva. Para cumplir esta propuesta se pretende que los servicios de atención primaria incluyan un seguimiento oftalmológico de sus pacientes así como fomentar campañas de cribado en centros proclives a reunir personas de alto riesgo. Sin embargo, estas soluciones exigen una alta carga de trabajo de personal experto entrenado en el análisis de los patrones anómalos propios de cada enfermedad. Por lo tanto, el desarrollo de algoritmos para la creación de sistemas de cribado automáticos juga un papel vital en este campo. La presente tesis persigue la identificacion automática del daño retiniano provocado por dos de las patologías más comunes en la sociedad actual: la retinopatía diabética (RD) y la degenaración macular asociada a la edad (DMAE). Concretamente, el objetivo final de este trabajo es el desarrollo de métodos novedosos basados en la extracción de características de la imagen de fondo de ojo y clasificación para discernir entre tejido sano y patológico. Además, en este documento se proponen algoritmos de pre-procesado con el objetivo de normalizar la alta variabilidad existente en las bases de datos publicas de imagen de fondo de ojo y eliminar la contribución de ciertas estructuras retinianas que afectan negativamente en la detección del daño retiniano. A diferencia de la mayoría de los trabajos existentes en el estado del arte sobre detección de patologías en imagen de fondo de ojo, los métodos propuestos a lo largo de este manuscrito evitan la necesidad de segmentación de las lesiones o la generación de un mapa de candidatos antes de la fase de clasificación. En este trabajo, Local binary patterns, perfiles granulométricos y la dimensión fractal se aplican de manera local para extraer información de textura, morfología y tortuosidad de la imagen de fondo de ojo. Posteriormente, esta información se combina de diversos modos formando vectores de características con los que se entrenan avanzados métodos de clasificación formulados para discriminar de manera óptima entre exudados, microaneurismas, hemorragias y tejido sano. Mediante diversos experimentos, se valida la habilidad del sistema propuesto para identificar los signos más comunes de la RD y DMAE. Para ello se emplean bases de datos públicas con un alto grado de variabilidad sin exlcuir ninguna imagen. Además, la presente tesis también cubre aspectos básicos del paradigma de deep learning. Concretamente, se presenta un novedoso método basado en redes neuronales convolucionales (CNNs). La técnica de transferencia de conocimiento se aplica mediante el fine-tuning de las arquitecturas de CNNs más importantes en el estado del arte. La detección y localización de exudados mediante redes neuronales se lleva a cabo en los dos últimos experimentos de esta tesis doctoral. Cabe destacar que los resultados obtenidos mediante la extracción de características "manual" y posterior clasificación se comparan de forma objetiva con las predicciones obtenidas por el mejor modelo basado en CNNs. Los prometedores resultados obtenidos en esta tesis y el bajo coste y portabilidad de las cámaras de adquisión de imagen de retina podrían facilitar la incorporación de los algoritmos desarrollados en este trabajo en un sistema de cribado automático que ayude a los especialistas en la detección de patrones anomálos característicos de las dos enfermedades bajo estudio: RD y DMAE.In last years, the number of blindness cases has been significantly reduced. Despite this promising news, the World Health Organisation estimates that 80% of visual impairment (285 million cases in 2010) could be avoided if diagnosed and treated early. To accomplish this purpose, eye care services need to be established in primary health and screening campaigns should be a common task in centres with people at risk. However, these solutions entail a high workload for trained experts in the analysis of the anomalous patterns of each eye disease. Therefore, the development of algorithms for automatic screening system plays a vital role in this field. This thesis focuses on the automatic identification of the retinal damage provoked by two of the most common pathologies in the current society: diabetic retinopathy (DR) and age-related macular degeneration (AMD). Specifically, the final goal of this work is to develop novel methods, based on fundus image description and classification, to characterise the healthy and abnormal tissue in the retina background. In addition, pre-processing algorithms are proposed with the aim of normalising the high variability of fundus images and removing the contribution of some retinal structures that could hinder in the retinal damage detection. In contrast to the most of the state-of-the-art works in damage detection using fundus images, the methods proposed throughout this manuscript avoid the necessity of lesion segmentation or the candidate map generation before the classification stage. Local binary patterns, granulometric profiles and fractal dimension are locally computed to extract texture, morphological and roughness information from retinal images. Different combinations of this information feed advanced classification algorithms formulated to optimally discriminate exudates, microaneurysms, haemorrhages and healthy tissues. Through several experiments, the ability of the proposed system to identify DR and AMD signs is validated using different public databases with a large degree of variability and without image exclusion. Moreover, this thesis covers the basics of the deep learning paradigm. In particular, a novel approach based on convolutional neural networks is explored. The transfer learning technique is applied to fine-tune the most important state-of-the-art CNN architectures. Exudate detection and localisation tasks using neural networks are carried out in the last two experiments of this thesis. An objective comparison between the hand-crafted feature extraction and classification process and the prediction models based on CNNs is established. The promising results of this PhD thesis and the affordable cost and portability of retinal cameras could facilitate the further incorporation of the developed algorithms in a computer-aided diagnosis (CAD) system to help specialists in the accurate detection of anomalous patterns characteristic of the two diseases under study: DR and AMD.En els últims anys el nombre de casos de ceguera s'ha reduït significativament. A pesar d'este fet, l'Organització Mundial de la Salut estima que un 80% dels casos de pèrdua de visió (285 milions en 2010) poden ser evitats si es diagnostiquen en els seus estadis més primerencs i són tractats de forma efectiva. Per a complir esta proposta es pretén que els servicis d'atenció primària incloguen un seguiment oftalmològic dels seus pacients així com fomentar campanyes de garbellament en centres regentats per persones d'alt risc. No obstant això, estes solucions exigixen una alta càrrega de treball de personal expert entrenat en l'anàlisi dels patrons anòmals propis de cada malaltia. Per tant, el desenrotllament d'algoritmes per a la creació de sistemes de garbellament automàtics juga un paper vital en este camp. La present tesi perseguix la identificació automàtica del dany retiniano provocat per dos de les patologies més comunes en la societat actual: la retinopatia diabètica (RD) i la degenaración macular associada a l'edat (DMAE) . Concretament, l'objectiu final d'este treball és el desenrotllament de mètodes novedodos basats en l'extracció de característiques de la imatge de fons d'ull i classificació per a discernir entre teixit sa i patològic. A més, en este document es proposen algoritmes de pre- processat amb l'objectiu de normalitzar l'alta variabilitat existent en les bases de dades publiques d'imatge de fons d'ull i eliminar la contribució de certes estructures retinianas que afecten negativament en la detecció del dany retiniano. A diferència de la majoria dels treballs existents en l'estat de l'art sobre detecció de patologies en imatge de fons d'ull, els mètodes proposats al llarg d'este manuscrit eviten la necessitat de segmentació de les lesions o la generació d'un mapa de candidats abans de la fase de classificació. En este treball, Local binary patterns, perfils granulometrics i la dimensió fractal s'apliquen de manera local per a extraure informació de textura, morfologia i tortuositat de la imatge de fons d'ull. Posteriorment, esta informació es combina de diversos modes formant vectors de característiques amb els que s'entrenen avançats mètodes de classificació formulats per a discriminar de manera òptima entre exsudats, microaneurismes, hemorràgies i teixit sa. Per mitjà de diversos experiments, es valida l'habilitat del sistema proposat per a identificar els signes més comuns de la RD i DMAE. Per a això s'empren bases de dades públiques amb un alt grau de variabilitat sense exlcuir cap imatge. A més, la present tesi també cobrix aspectes bàsics del paradigma de deep learning. Concretament, es presenta un nou mètode basat en xarxes neuronals convolucionales (CNNs) . La tècnica de transferencia de coneixement s'aplica per mitjà del fine-tuning de les arquitectures de CNNs més importants en l'estat de l'art. La detecció i localització d'exudats per mitjà de xarxes neuronals es du a terme en els dos últims experiments d'esta tesi doctoral. Cal destacar que els resultats obtinguts per mitjà de l'extracció de característiques "manual" i posterior classificació es comparen de forma objectiva amb les prediccions obtingudes pel millor model basat en CNNs. Els prometedors resultats obtinguts en esta tesi i el baix cost i portabilitat de les cambres d'adquisión d'imatge de retina podrien facilitar la incorporació dels algoritmes desenrotllats en este treball en un sistema de garbellament automàtic que ajude als especialistes en la detecció de patrons anomálos característics de les dos malalties baix estudi: RD i DMAE.Colomer Granero, A. (2018). Fundus image analysis for automatic screening of ophthalmic pathologies [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/99745TESI

Machine learning strategies for diagnostic imaging support on histopathology and optical coherence tomography

Tesis por compendio[ES] Esta tesis presenta soluciones de vanguardia basadas en algoritmos de computer vision (CV) y machine learning (ML) para ayudar a los expertos en el diagnóstico clínico. Se centra en dos áreas relevantes en el campo de la imagen médica: la patología digital y la oftalmología. Este trabajo propone diferentes paradigmas de machine learning y deep learning para abordar diversos escenarios de supervisión en el estudio del cáncer de próstata, el cáncer de vejiga y el glaucoma. En particular, se consideran métodos supervisados convencionales para segmentar y clasificar estructuras específicas de la próstata en imágenes histológicas digitalizadas. Para el reconocimiento de patrones específicos de la vejiga, se llevan a cabo enfoques totalmente no supervisados basados en técnicas de deep-clustering. Con respecto a la detección del glaucoma, se aplican algoritmos de memoria a corto plazo (LSTMs) que permiten llevar a cabo un aprendizaje recurrente a partir de volúmenes de tomografía por coherencia óptica en el dominio espectral (SD-OCT). Finalmente, se propone el uso de redes neuronales prototípicas (PNN) en un marco de few-shot learning para determinar el nivel de gravedad del glaucoma a partir de imágenes OCT circumpapilares. Los métodos de inteligencia artificial (IA) que se detallan en esta tesis proporcionan una valiosa herramienta de ayuda al diagnóstico por imagen, ya sea para el diagnóstico histológico del cáncer de próstata y vejiga o para la evaluación del glaucoma a partir de datos de OCT.[CA] Aquesta tesi presenta solucions d'avantguarda basades en algorismes de *computer *vision (CV) i *machine *learning (ML) per a ajudar als experts en el diagnòstic clínic. Se centra en dues àrees rellevants en el camp de la imatge mèdica: la patologia digital i l'oftalmologia. Aquest treball proposa diferents paradigmes de *machine *learning i *deep *learning per a abordar diversos escenaris de supervisió en l'estudi del càncer de pròstata, el càncer de bufeta i el glaucoma. En particular, es consideren mètodes supervisats convencionals per a segmentar i classificar estructures específiques de la pròstata en imatges histològiques digitalitzades. Per al reconeixement de patrons específics de la bufeta, es duen a terme enfocaments totalment no supervisats basats en tècniques de *deep-*clustering. Respecte a la detecció del glaucoma, s'apliquen algorismes de memòria a curt termini (*LSTMs) que permeten dur a terme un aprenentatge recurrent a partir de volums de tomografia per coherència òptica en el domini espectral (SD-*OCT). Finalment, es proposa l'ús de xarxes neuronals *prototípicas (*PNN) en un marc de *few-*shot *learning per a determinar el nivell de gravetat del glaucoma a partir d'imatges *OCT *circumpapilares. Els mètodes d'intel·ligència artificial (*IA) que es detallen en aquesta tesi proporcionen una valuosa eina d'ajuda al diagnòstic per imatge, ja siga per al diagnòstic histològic del càncer de pròstata i bufeta o per a l'avaluació del glaucoma a partir de dades d'OCT.[EN] This thesis presents cutting-edge solutions based on computer vision (CV) and machine learning (ML) algorithms to assist experts in clinical diagnosis. It focuses on two relevant areas at the forefront of medical imaging: digital pathology and ophthalmology. This work proposes different machine learning and deep learning paradigms to address various supervisory scenarios in the study of prostate cancer, bladder cancer and glaucoma. In particular, conventional supervised methods are considered for segmenting and classifying prostate-specific structures in digitised histological images. For bladder-specific pattern recognition, fully unsupervised approaches based on deep-clustering techniques are carried out. Regarding glaucoma detection, long-short term memory algorithms (LSTMs) are applied to perform recurrent learning from spectral-domain optical coherence tomography (SD-OCT) volumes. Finally, the use of prototypical neural networks (PNNs) in a few-shot learning framework is proposed to determine the severity level of glaucoma from circumpapillary OCT images. The artificial intelligence (AI) methods detailed in this thesis provide a valuable tool to aid diagnostic imaging, whether for the histological diagnosis of prostate and bladder cancer or glaucoma assessment from OCT data.García Pardo, JG. (2022). Machine learning strategies for diagnostic imaging support on histopathology and optical coherence tomography [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182400Compendi

DIAGNOSE EYES DISEASES USING VARIOUS FEATURES EXTRACTION APPROACHES AND MACHINE LEARNING ALGORITHMS

Ophthalmic diseases like glaucoma, diabetic retinopathy, and cataracts are the main cause of visual impairment worldwide. With the use of the fundus images, it could be difficult for a clinician to detect eye diseases early enough. By other hand, the diagnoses of eye disease are prone to errors, challenging and labor-intensive. Thus, for the purpose of identifying various eye problems with the use of the fundus images, a system of automated ocular disease detection with computer-assisted tools is needed. Due to machine learning (ML) algorithms' advanced skills for image classification, this kind of system is feasible. An essential area of artificial intelligence)AI (is machine learning. Ophthalmologists will soon be able to deliver accurate diagnoses and support individualized healthcare thanks to the general capacity of machine learning to automatically identify, find, and grade pathological aspects in ocular disorders. This work presents a ML-based method for targeted ocular detection. The Ocular Disease Intelligent Recognition (ODIR) dataset, which includes 5,000 images of 8 different fundus types, was classified using machine learning methods. Various ocular diseases are represented by these classes. In this study, the dataset was divided into 70% training data and 30% test data, and preprocessing operations were performed on all images starting from color image conversion to grayscale, histogram equalization, BLUR, and resizing operation. The feature extraction represents the next phase in this study ,two algorithms are applied to perform the extraction of features which includes: SIFT(Scale-invariant feature transform) and GLCM(Gray Level Co-occurrence Matrix), ODIR dataset is then subjected to the classification techniques Naïve Bayes, Decision Tree, Random Forest, and K-nearest Neighbor. This study achieved the highest accuracy for binary classification (abnormal and normal) which is 75% (NB algorithm), 62% (RF algorithm), 53% (KNN algorithm), 51% (DT algorithm) and achieved the highest accuracy for multiclass classification (types of eye diseases) which is 88% (RF algorithm), 61% (KNN algorithm) 42% (NB algorithm), and 39% (DT algorithm)

A Convolutional Neural Network for the Automatic Diagnosis of Collagen VI related Muscular Dystrophies

The development of machine learning systems for the diagnosis of rare diseases is challenging mainly due the lack of data to study them. Despite this challenge, this paper proposes a system for the Computer Aided Diagnosis (CAD) of low-prevalence, congenital muscular dystrophies from confocal microscopy images. The proposed CAD system relies on a Convolutional Neural Network (CNN) which performs an independent classification for non-overlapping patches tiling the input image, and generates an overall decision summarizing the individual decisions for the patches on the query image. This decision scheme points to the possibly problematic areas in the input images and provides a global quantitative evaluation of the state of the patients, which is fundamental for diagnosis and to monitor the efficiency of therapies.Comment: Submitted for review to Expert Systems With Application