Denoising Adversarial Autoencoders: Classifying Skin Lesions Using Limited Labelled Training Data

We propose a novel deep learning model for classifying medical images in the setting where there is a large amount of unlabelled medical data available, but labelled data is in limited supply. We consider the specific case of classifying skin lesions as either malignant or benign. In this setting, the proposed approach -- the semi-supervised, denoising adversarial autoencoder -- is able to utilise vast amounts of unlabelled data to learn a representation for skin lesions, and small amounts of labelled data to assign class labels based on the learned representation. We analyse the contributions of both the adversarial and denoising components of the model and find that the combination yields superior classification performance in the setting of limited labelled training data.Comment: Under consideration for the IET Computer Vision Journal special issue on "Computer Vision in Cancer Data Analysis

Statistical techniques applied to the automatic diagnosis of dermoscopic images

An image based system implementing a well‐known diagnostic method is disclosed for the automatic detection of melanomas as support to clinicians. The software procedure is able to recognize automatically the skin lesion within the digital image, measure morphological and chromatic parameters, carry out a suitable classification for the detection of structural dermoscopic criteria provided by the 7‐Point Check. Original contribution is referred to advanced statistical techniques, which are introduced at different stages of the image processing, including the border detection, the extraction of low‐level features and scoring of high order features (namely dermoscopic criteria). The proposed approach is experimentally tested with reference to a large image set of pigmented lesions

Classification of skin tumours through the analysis of unconstrained images

Skin cancer is the most frequent malignant neoplasm for Caucasian individuals. According to the Skin Cancer Foundation, the incidence of melanoma, the most malignant of skin tumours, and resultant mortality, have increased exponentially during the past 30 years, and continues to grow. [1]. Although often intractable in advanced stages, skin cancer in general and melanoma in particular, if detected in an early stage, can achieve cure ratios of over 95% [1,55]. Early screening of the lesions is, therefore, crucial, if a cure is to be achieved. Most skin lesions classification systems rely on a human expert supported dermatoscopy, which is an enhanced and zoomed photograph of the lesion zone. Nevertheless and although contrary claims exist, as far as is known by the author, classification results are currently rather inaccurate and need to be verified through a laboratory analysis of a piece of the lesion’s tissue. The aim of this research was to design and implement a system that was able to automatically classify skin spots as inoffensive or dangerous, with a small margin of error; if possible, with higher accuracy than the results achieved normally by a human expert and certainly better than any existing automatic system. The system described in this thesis meets these criteria. It is able to capture an unconstrained image of the affected skin area and extract a set of relevant features that may lead to, and be representative of, the four main classification characteristics of skin lesions: Asymmetry; Border; Colour; and Diameter. These relevant features are then evaluated either through a Bayesian statistical process - both a simple k-Nearest Neighbour as well as a Fuzzy k-Nearest Neighbour classifier - a Support Vector Machine and an Artificial Neural Network in order to classify the skin spot as either being a Melanoma or not. The characteristics selected and used through all this work are, to the author’s knowledge, combined in an innovative manner. Rather than simply selecting absolute values from the images characteristics, those numbers were combined into ratios, providing a much greater independence from environment conditions during the process of image capture. Along this work, image gathering became one of the most challenging activities. In fact several of the initially potential sources failed and so, the author had to use all the pictures he could find, namely on the Internet. This limited the test set to 136 images, only. Nevertheless, the process results were excellent. The algorithms developed were implemented into a fully working system which was extensively tested. It gives a correct classification of between 76% and 92% – depending on the percentage of pictures used to train the system. In particular, the system gave no false negatives. This is crucial, since a system which gave false negatives may deter a patient from seeking further treatment with a disastrous outcome. These results are achieved by detecting precise edges for every lesion image, extracting features considered relevant according to the giving different weights to the various extracted features and submitting these values to six classification algorithms – k-Nearest Neighbour, Fuzzy k-Nearest Neighbour, Naïve Bayes, Tree Augmented Naïve Bayes, Support Vector Machine and Multilayer Perceptron - in order to determine the most reliable combined process. Training was carried out in a supervised way – all the lesions were previously classified by an expert on the field before being subject to the scrutiny of the system. The author is convinced that the work presented on this PhD thesis is a valid contribution to the field of skin cancer diagnostics. Albeit its scope is limited – one lesion per image – the results achieved by this arrangement of segmentation, feature extraction and classification algorithms showed this is the right path to achieving a reliable early screening system. If and when, to all these data, values for age, gender and evolution might be used as classification features, the results will, no doubt, become even more accurate, allowing for an improvement in the survival rates of skin cancer patients

A modelling approach towards Epidermal homoeostasis control

In order to grasp the features arising from cellular discreteness and individuality, in large parts of cell tissue modelling agent-based models are favoured. The subclass of off-lattice models allows for a physical motivation of the intercellular interaction rules. We apply an improved version of a previously introduced off-lattice agent-based model to the steady-state flow equilibrium of skin. The dynamics of cells is determined by conservative and drag forces,supplemented with delta-correlated random forces. Cellular adjacency is detected by a weighted Delaunay triangulation. The cell cycle time of keratinocytes is controlled by a diffusible substance provided by the dermis. Its concentration is calculated from a diffusion equation with time-dependent boundary conditions and varying diffusion coefficients. The dynamics of a nutrient is also taken into account by a reaction-diffusion equation. It turns out that the analysed control mechanism suffices to explain several characteristics of epidermal homoeostasis formation. In addition, we examine the question of how {\em in silico} melanoma with decreased basal adhesion manage to persist within the steady-state flow-equilibrium of the skin.Interestingly, even for melanocyte cell cycle times being substantially shorter than for keratinocytes, tiny stochastic effects can lead to completely different outcomes. The results demonstrate that the understanding of initial states of tumour growth can profit significantly from the application of off-lattice agent-based models in computer simulations.Comment: 23 pages, 7 figures, 1 table; version that is to appear in Journal of Theoretical Biolog

Image analysis for diagnostic support in biomedicine: neuromuscular diseases and pigmented lesions

Tesis descargada desde TESEOEsta tesis presenta dos sistemas implementados mediante técnicas de procesamiento de imagen, para ayuda al diagnóstico de enfermedades neuromusculares a partir de imágenes de microscopía de fluorescencia y análisis de lesiones pigmentadas a partir de imágenes dermoscópicas. El diagnóstico de enfermedades neuromusculares se basa en la evaluación visual de las biopsias musculares por parte del patólogo especialista, lo que conlleva una carga subjetiva. El primer sistema propuesto en esta tesis analiza objetivamente las biopsias musculares y las clasifica en distrofias, atrofias neurógenas o control (sin enfermedad) a través de imágenes de microscopía de fluorescencia. Su implementación reúne los elementos propios de un sistema de ayuda al diagnóstico asistido por ordenador: segmentación, extracción de características, selección de características y clasificación. El procedimiento comienza con una segmentación precisa de las fibras musculares usando morfología matemática y una transformada Watershed. A continuación, se lleva a cabo un paso de extracción de características, en el cual reside la principal contribución del sistema, ya que no solo se extraen aquellas que los patólogos tienen en cuenta para diagnosticar sino características que se escapan de la visión humana. Estas nuevas características se extraen suponiendo que la estructura de la biopsia se comporta como un grafo, en el que los nodos se corresponden con las fibras musculares, y dos nodos están conectados si dos fibras son adyacentes. Para estudiar la efectividad que estos dos conjuntos presentan en la categorización de las biopsias, se realiza una selección de características y una clasi- ficación empleando una red neuronal Fuzzy ARTMAP. El procedimiento concluye con una estimación de la severidad de las biopsias con patrón distrófico. Esta caracterización se realiza mediante un análisis de componentes principales. Para la validación del sistema se ha empleado una base de datos compuesta por 91 imágenes de biopsias musculares, de las cuales 71 se consideran imágenes de entrenamiento y 20 imágenes de prueba. Se consigue una elevada tasa de aciertos de clasificacion y se llega a la importante conclusión de que las nuevas características estructurales que no pueden ser detectadas por inspección visual mejoran la identificación de biopsias afectadas por atrofia neurógena. La segunda parte de la tesis presenta un sistema de clasificación de lesiones pigmentadas. Primero se propone un algoritmo de segmentación de imágenes en color para ais lar la lesión de la piel circundante. Su desarrollo se centra en conseguir un algoritmo relacionado con las diferencias color percibidas por el ojo humano. Consiguiendo así, no solo un método de segmentación de lesiones pigmentadas sino un algoritmo de segmentación de propósito general. El método de segmentación propuesto se basa en un gradiente para imágenes en color integrado en una técnica de level set para detección de bordes. La elección del gradiente se derivada a partir de un análisis de tres gradientes de color implementados en el espacio de color uniforme CIE L∗a∗b∗ y basados en las ecuaciones de diferencia de color desarrolladas por la comisión internacional de iluminación (CIELAB, CIE94 y CIEDE2000). El principal objetivo de este análisis es estudiar cómo estas ecuaciones afectan en la estimación de los gradientes en términos de correlación con la percepción visual del color. Una técnica de level-set se aplica sobre estos gradientes consiguiendo así un detector de borde que permite evaluar el rendimiento de dichos gradientes. La validación se lleva a cabo sobre una base de datos compuesta por imágenes sintéticas diseñada para tal fin. Se realizaron tanto medidas cuantitativas como cualitativas. Finalmente, se concluye que el detector de bordes basado en la ecuación de diferencias de color CIE94 presenta la mayor correlación con la percepción visual del color. A partir de entonces, la tesis intenta emular el método de análisis de patrones, la técnica de diagnóstico de lesiones pigmentadas de la piel más empleada por los dermatólogos. Este método trata de identificar patrones específicos, pudiendo ser tanto globales como locales. En esta tesis se presenta una amplia revisión de los métodos algorítmicos, publicados en la literatura, que detectan automáticamente dichos patrones a partir de imágenes dermoscópicas de lesiones pigmentadas. Tras esta revisón se advierte que numerosos trabajos se centran en la detección de patrones locales, pero solo unos pocos abordan la detección de patrones globales. El siguiente paso de esta tesis, por tanto, es la propuesta de diferentes métodos de clasi- ficación de patrones globales. El objetivo es identificar tres patrones: reticular, globular y empedrado (considerado un solo patrón) y homogéneo. Los métodos propuestos se basan en un análisis de textura mediante técnicas de modelado. En primer lugar una imagen demoscópica se modela mediante campos aleatorios de Markov, los parámetros estimados de este modelo se consideran características. A su vez, se supone que la distribución de estas características a lo largo de la lesión sigue diferentes modelos: un modelo gaussiano, un modelo de mezcla de gaussianas o un modelo de bolsa de características. La clasificación se lleva a cabo mediante una recuperación de imágenes basada en diferentes métricas de distancia. Para validar los métodos se emplea un conjunto significativo de imágenes dermatológicas, concluyendo que el modelo basado en mezcla de gaussianas proporciona la mejor tasa de clasificación. Además, se incluye una evaluación adicional en la que se clasifican melanomas con patrón multicomponente obteniendo resultados prometedores. Finalmente, se presenta una discusión sobre los hallazgos y conclusiones más relevantes extraídas de esta tesis, así como las líneas futuras que se derivan de este trabajo.Premio Extraordinario de Doctorado U

Ecological genetics of freshwater fish: a short review of the genotype–phenotype connection

Genética ecológica de los peces de agua dulce: una breve revisión de la conexión genotipo–fenotipo La ecología molecular o la genética ecológica es una aplicación de la genética de poblaciones que durante las dos últimas décadas ha sufrido un proceso de expansión. Sin embargo, en la ecología molecular predominan los estudios sistemáticos y filogeográficos, con relativamente poco énfasis en el análisis de la base genética del proceso de adaptación a diferentes condiciones ecológicas. Esta relación entre genotipo y fenotipo adaptativo es poco evidente, porque las poblaciones son difíciles de cuantificar y los experimentos son logísticamente complicados. Es interesante destacar que en peces de agua dulce estos estudios no son tan poco frecuentes como en otros grupos de vertebrados. En esta revisión, nuestra intención es resumir los pocos casos en los cuales la relación entre ecología y genética de peces continentales está más desarrollada, principalmente entre marcadores genéticos y fenotipos ecológicos. Palabras clave: Genética ecológica, Ecología molecular, Interacción genotipo–fenotipo, Adaptación, Genética del paisaje, Introducción de especies.Molecular ecology or ecological genetics is an expanding application of population genetics which has flourished in the last two decades but it is dominated by systematic and phylogeographic studies, with relatively little emphasis on the study of the genetic basis of the process of adaptation to different ecological conditions. The relationship between genotype and adaptive phenotypes is weak because populations are often difficult to quantify and experiments are logistically challenging or unfeasible. Interestingly, in freshwater fish, studies to characterize the genetic architecture of adaptive traits are not as rare as in other vertebrate groups. In this review, we summarize the few cases where the relationship between the ecology and genetics of freshwater fish is more developed, namely the relationship between genetic markers and ecological phenotypes. Key words: Ecological genetics, Molecular ecology, Genotype–phenotype relationship, Adaptation, Landscape genetics, Species introduction.Genética ecológica de los peces de agua dulce: una breve revisión de la conexión genotipo–fenotipo La ecología molecular o la genética ecológica es una aplicación de la genética de poblaciones que durante las dos últimas décadas ha sufrido un proceso de expansión. Sin embargo, en la ecología molecular predominan los estudios sistemáticos y filogeográficos, con relativamente poco énfasis en el análisis de la base genética del proceso de adaptación a diferentes condiciones ecológicas. Esta relación entre genotipo y fenotipo adaptativo es poco evidente, porque las poblaciones son difíciles de cuantificar y los experimentos son logísticamente complicados. Es interesante destacar que en peces de agua dulce estos estudios no son tan poco frecuentes como en otros grupos de vertebrados. En esta revisión, nuestra intención es resumir los pocos casos en los cuales la relación entre ecología y genética de peces continentales está más desarrollada, principalmente entre marcadores genéticos y fenotipos ecológicos. Palabras clave: Genética ecológica, Ecología molecular, Interacción genotipo–fenotipo, Adaptación, Genética del paisaje, Introducción de especies

Graph Clustering, Variational Image Segmentation Methods and Hough Transform Scale Detection for Object Measurement in Images

© 2016, Springer Science+Business Media New York. We consider the problem of scale detection in images where a region of interest is present together with a measurement tool (e.g. a ruler). For the segmentation part, we focus on the graph-based method presented in Bertozzi and Flenner (Multiscale Model Simul 10(3):1090–1118, 2012) which reinterprets classical continuous Ginzburg–Landau minimisation models in a totally discrete framework. To overcome the numerical difficulties due to the large size of the images considered, we use matrix completion and splitting techniques. The scale on the measurement tool is detected via a Hough transform-based algorithm. The method is then applied to some measurement tasks arising in real-world applications such as zoology, medicine and archaeology