Bilateral-ViT For Robust Fovea Localization

The fovea is an important anatomical landmark of the retina. Detecting the location of the fovea is essential for the analysis of many retinal diseases. However, robust fovea localization remains a challenging problem, as the fovea region often appears fuzzy, and retina diseases may further obscure its appearance. This paper proposes a novel Vision Transformer (ViT) approach that integrates information both inside and outside the fovea region to achieve robust fovea localization. Our proposed network, named Bilateral-Vision-Transformer (Bilateral-ViT), consists of two network branches: a transformer-based main network branch for integrating global context across the entire fundus image and a vessel branch for explicitly incorporating the structure of blood vessels. The encoded features from both network branches are subsequently merged with a customized Multi-scale Feature Fusion (MFF) module. Our comprehensive experiments demonstrate that the proposed approach is significantly more robust for diseased images and establishes the new state of the arts using the Messidor and PALM datasets.Comment: This work has been accepted for oral presentation by ISBI202

Computational Analysis of Fundus Images: Rule-Based and Scale-Space Models

Fundus images are one of the most important imaging examinations in modern ophthalmology because they are simple, inexpensive and, above all, noninvasive. Nowadays, the acquisition and storage of highresolution fundus images is relatively easy and fast. Therefore, fundus imaging has become a fundamental investigation in retinal lesion detection, ocular health monitoring and screening programmes. Given the large volume and clinical complexity associated with these images, their analysis and interpretation by trained clinicians becomes a timeconsuming task and is prone to human error. Therefore, there is a growing interest in developing automated approaches that are affordable and have high sensitivity and specificity. These automated approaches need to be robust if they are to be used in the general population to diagnose and track retinal diseases. To be effective, the automated systems must be able to recognize normal structures and distinguish them from pathological clinical manifestations. The main objective of the research leading to this thesis was to develop automated systems capable of recognizing and segmenting retinal anatomical structures and retinal pathological clinical manifestations associated with the most common retinal diseases. In particular, these automated algorithms were developed on the premise of robustness and efficiency to deal with the difficulties and complexity inherent in these images. Four objectives were considered in the analysis of fundus images. Segmentation of exudates, localization of the optic disc, detection of the midline of blood vessels, segmentation of the vascular network and detection of microaneurysms. In addition, we also evaluated the detection of diabetic retinopathy on fundus images using the microaneurysm detection method. An overview of the state of the art is presented to compare the performance of the developed approaches with the main methods described in the literature for each of the previously described objectives. To facilitate the comparison of methods, the state of the art has been divided into rulebased methods and machine learningbased methods. In the research reported in this paper, rulebased methods based on image processing methods were preferred over machine learningbased methods. In particular, scalespace methods proved to be effective in achieving the set goals. Two different approaches to exudate segmentation were developed. The first approach is based on scalespace curvature in combination with the local maximum of a scalespace blob detector and dynamic thresholds. The second approach is based on the analysis of the distribution function of the maximum values of the noise map in combination with morphological operators and adaptive thresholds. Both approaches perform a correct segmentation of the exudates and cope well with the uneven illumination and contrast variations in the fundus images. Optic disc localization was achieved using a new technique called cumulative sum fields, which was combined with a vascular enhancement method. The algorithm proved to be reliable and efficient, especially for pathological images. The robustness of the method was tested on 8 datasets. The detection of the midline of the blood vessels was achieved using a modified corner detector in combination with binary philtres and dynamic thresholding. Segmentation of the vascular network was achieved using a new scalespace blood vessels enhancement method. The developed methods have proven effective in detecting the midline of blood vessels and segmenting vascular networks. The microaneurysm detection method relies on a scalespace microaneurysm detection and labelling system. A new approach based on the neighbourhood of the microaneurysms was used for labelling. Microaneurysm detection enabled the assessment of diabetic retinopathy detection. The microaneurysm detection method proved to be competitive with other methods, especially with highresolution images. Diabetic retinopathy detection with the developed microaneurysm detection method showed similar performance to other methods and human experts. The results of this work show that it is possible to develop reliable and robust scalespace methods that can detect various anatomical structures and pathological features of the retina. Furthermore, the results obtained in this work show that although recent research has focused on machine learning methods, scalespace methods can achieve very competitive results and typically have greater independence from image acquisition. The methods developed in this work may also be relevant for the future definition of new descriptors and features that can significantly improve the results of automated methods.As imagens do fundo do olho são hoje um dos principais exames imagiológicos da oftalmologia moderna, pela sua simplicidade, baixo custo e acima de tudo pelo seu carácter nãoinvasivo. A aquisição e armazenamento de imagens do fundo do olho com alta resolução é também relativamente simples e rápida. Desta forma, as imagens do fundo do olho são um exame fundamental na identificação de alterações retinianas, monitorização da saúde ocular, e em programas de rastreio. Considerando o elevado volume e complexidade clínica associada a estas imagens, a análise e interpretação das mesmas por clínicos treinados tornase uma tarefa morosa e propensa a erros humanos. Assim, há um interesse crescente no desenvolvimento de abordagens automatizadas, acessíveis em custo, e com uma alta sensibilidade e especificidade. Estas devem ser robustas para serem aplicadas à população em geral no diagnóstico e seguimento de doenças retinianas. Para serem eficazes, os sistemas de análise têm que conseguir detetar e distinguir estruturas normais de sinais patológicos. O objetivo principal da investigação que levou a esta tese de doutoramento é o desenvolvimento de sistemas automáticos capazes de detetar e segmentar as estruturas anatómicas da retina, e os sinais patológicos retinianos associados às doenças retinianas mais comuns. Em particular, estes algoritmos automatizados foram desenvolvidos segundo as premissas de robustez e eficácia para lidar com as dificuldades e complexidades inerentes a estas imagens. Foram considerados quatro objetivos de análise de imagens do fundo do olho. São estes, a segmentação de exsudados, a localização do disco ótico, a deteção da linha central venosa dos vasos sanguíneos e segmentação da rede vascular, e a deteção de microaneurismas. De acrescentar que usando o método de deteção de microaneurismas, avaliouse também a capacidade de deteção da retinopatia diabética em imagens do fundo do olho. Para comparar o desempenho das metodologias desenvolvidas neste trabalho, foi realizado um levantamento do estado da arte, onde foram considerados os métodos mais relevantes descritos na literatura para cada um dos objetivos descritos anteriormente. Para facilitar a comparação entre métodos, o estado da arte foi dividido em metodologias de processamento de imagem e baseadas em aprendizagem máquina. Optouse no trabalho de investigação desenvolvido pela utilização de metodologias de análise espacial de imagem em detrimento de metodologias baseadas em aprendizagem máquina. Em particular, as metodologias baseadas no espaço de escalas mostraram ser efetivas na obtenção dos objetivos estabelecidos. Para a segmentação de exsudados foram usadas duas abordagens distintas. A primeira abordagem baseiase na curvatura em espaço de escalas em conjunto com a resposta máxima local de um detetor de manchas em espaço de escalas e limiares dinâmicos. A segunda abordagem baseiase na análise do mapa de distribuição de ruído em conjunto com operadores morfológicos e limiares adaptativos. Ambas as abordagens fazem uma segmentação dos exsudados de elevada precisão, além de lidarem eficazmente com a iluminação nãouniforme e a variação de contraste presente nas imagens do fundo do olho. A localização do disco ótico foi conseguida com uma nova técnica designada por campos de soma acumulativos, combinada com métodos de melhoramento da rede vascular. O algoritmo revela ser fiável e eficiente, particularmente em imagens patológicas. A robustez do método foi verificada pela sua avaliação em oito bases de dados. A deteção da linha central dos vasos sanguíneos foi obtida através de um detetor de cantos modificado em conjunto com filtros binários e limiares dinâmicos. A segmentação da rede vascular foi conseguida com um novo método de melhoramento de vasos sanguíneos em espaço de escalas. Os métodos desenvolvidos mostraram ser eficazes na deteção da linha central dos vasos sanguíneos e na segmentação da rede vascular. Finalmente, o método para a deteção de microaneurismas assenta num formalismo de espaço de escalas na deteção e na rotulagem dos microaneurismas. Para a rotulagem foi utilizada uma nova abordagem da vizinhança dos candidatos a microaneurismas. A deteção de microaneurismas permitiu avaliar também a deteção da retinopatia diabética. O método para a deteção de microaneurismas mostrou ser competitivo quando comparado com outros métodos, em particular em imagens de alta resolução. A deteção da retinopatia diabética exibiu um desempenho semelhante a outros métodos e a especialistas humanos. Os trabalhos descritos nesta tese mostram ser possível desenvolver uma abordagem fiável e robusta em espaço de escalas capaz de detetar diferentes estruturas anatómicas e sinais patológicos da retina. Além disso, os resultados obtidos mostram que apesar de a pesquisa mais recente concentrarse em metodologias de aprendizagem máquina, as metodologias de análise espacial apresentam resultados muito competitivos e tipicamente independentes do equipamento de aquisição das imagens. As metodologias desenvolvidas nesta tese podem ser importantes na definição de novos descritores e características, que podem melhorar significativamente o resultado de métodos automatizados

Caracterización del Edema Macular Diabético mediante análisis automático de Tomografías de Coherencia Óptica

Programa Oficial de Doctorado en Computación. 5009V01[Abstract] Diabetic Macular Edema (DME) is one of the most important complications of diabetes and a leading cause of preventable blindness in the developed countries. Among the di erent image modalities, Optical Coherence Tomography (OCT) is a non-invasive, cross-sectional and high-resolution imaging technique that is commonly used for the analysis and interpretation of many retinal structures and ocular disorders. In this way, the development of Computer-Aided Diagnosis (CAD) systems has become relevant over the recent years, facilitating and simplifying the work of the clinical specialists in many relevant diagnostic processes, replacing manual procedures that are tedious and highly time-consuming. This thesis proposes a complete methodology for the identi cation and characterization of DMEs using OCT images. To do so, the system combines and exploits di erent clinical knowledge with image processing and machine learning strategies. This automatic system is able to identify and characterize the main retinal structures and several pathological conditions that are associated with the DME disease, following the clinical classi cation of reference in the ophthalmological eld. Despite the complexity and heterogeneity of this relevant ocular pathology, the proposed system achieved satisfactory results, proving to be robust enough to be used in the daily clinical practice, helping the clinicians to produce a more accurate diagnosis and indicate adequate treatments[Resumen] El Edema Macular Diabético (EMD) es una de las complicaciones más importantes de la diabetes y una de las principales causas de ceguera prevenible en los países desarrollados. Entre las diferentes modalidades de imagen, la Tomografía de Coherencia Óptica (TCO) es una técnica de imagen no invasiva, transversal y de alta resolución que se usa comúnmente para el análisis e interpretación de múltiples estructuras retinianas y trastornos oculares. De esta manera, el desarrollo de los sistemas de Diagnóstico Asistido por Ordenador (DAO) se ha vuelto relevante en los últimos años, facilitando y simplificando el trabajo de los especialistas clínicos en muchos procesos diagnósticos relevantes, reemplazando procedimientos manuales que son tediosos y requieren mucho tiempo. Esta tesis propone una metodología completa para la identificación y caracterización de EMDs utilizando imágenes TCO. Para ello, el sistema desarrollado combina y explota diferentes conocimientos clínicos con estrategias de procesamiento de imágenes y aprendizaje automático. Este sistema automático es capaz de identificar y caracterizar las principales estructuras retinianas y diferentes afecciones patológicas asociadas con el EMD, siguiendo la clasificación clínica de referencia en el campo oftalmológico. A pesar de la complejidad de esta relevante patología ocular, el sistema propuesto logró resultados satisfactorios, demostrando ser lo sufi cientemente robusto como para ser usado en la práctica clínica diaria, ayudando a los médicos a producir diagnósticos más precisos y tratamientos más adecuados.[Resumo] O Edema Macular Diabético ( EMD) é unha das complicacións máis importantes da diabetes e unha das principais causas de cegueira prevenible nos países desenvoltos. Entre as diferentes modalidades de imaxe, a Tomografía de Coherencia Óptica ( TCO) é unha técnica de imaxe non invasiva, transversal e de alta resolución que se usa comunmente para a análise e interpretación de múltiples estruturas retinianas e trastornos oculares. Desta maneira, o desenvolvemento dos sistemas de Diagnóstico Asistido por Computador ( DAO) volveuse relevante nos últimos anos, facilitando e simplificando o traballo dos especialistas clínicos en moitos procesos diagnósticos relevantes, substituíndo procedementos manuais que son tediosos e requiren moito tempo. Esta tese propón unha metodoloxía completa para a identificación e caracterización de EMDs utilizando imaxes TCO. Para iso, o sistema desenvolto combina e explota diferentes coñecementos clínicos con estratexias de procesamento de imaxes e aprendizaxe automático. Este sistema automático é capaz de identificar e caracterizar as principais estruturas retinianas e diferentes afeccións patolóxicas asociadas co EMD, seguindo a clasificación clínica de referencia no campo oftalmolóxico. A pesar da complexidade desta relevante patoloxía ocular, o sistema proposto logrou resultados satisfactorios, demostrando ser o sufi cientemente robusto como para ser usado na práctica clínica diaria, axudando aos médicos para producir diagnósticos máis precisos e tratamentos máis adecuados

Handbook of Vascular Biometrics

This open access handbook provides the first comprehensive overview of biometrics exploiting the shape of human blood vessels for biometric recognition, i.e. vascular biometrics, including finger vein recognition, hand/palm vein recognition, retina recognition, and sclera recognition. After an introductory chapter summarizing the state of the art in and availability of commercial systems and open datasets/open source software, individual chapters focus on specific aspects of one of the biometric modalities, including questions of usability, security, and privacy. The book features contributions from both academia and major industrial manufacturers

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

Object Recognition

Vision-based object recognition tasks are very familiar in our everyday activities, such as driving our car in the correct lane. We do these tasks effortlessly in real-time. In the last decades, with the advancement of computer technology, researchers and application developers are trying to mimic the human's capability of visually recognising. Such capability will allow machine to free human from boring or dangerous jobs