Fast and Accurate Lung Tumor Spotting and Segmentation for Boundary Delineation on CT Slices In A Coarse-To-Fine Framework

Label noise and class imbalance are two of the critical challenges when training image-based deep neural networks, especially in the biomedical image processing domain. Our work focuses on how to address the two challenges effectively and accurately in the task of lesion segmentation from biomedical/medical images. To address the pixel-level label noise problem, we propose an advanced transfer training and learning approach with a detailed DICOM pre-processing method. To address the tumor/non-tumor class imbalance problem, we exploit a self-adaptive fully convolutional neural network with an automated weight distribution mechanism to spot the Radiomics lung tumor regions accurately. Furthermore, an improved conditional random field method is employed to obtain sophisticated lung tumor contour delineation and segmentation. Finally, our approach has been evaluated using several well-known evaluation metrics on the Lung Tumor segmentation dataset used in the 2018 IEEE VIP-CUP Challenge. Experimental results show that our weakly supervised learning algorithm outperforms other deep models and state-of-the-art approache

Deep learning in medical imaging and radiation therapy

Peer Reviewedhttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/146980/1/mp13264_am.pdfhttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/146980/2/mp13264.pd

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

On Improving Generalization of CNN-Based Image Classification with Delineation Maps Using the CORF Push-Pull Inhibition Operator

Deployed image classification pipelines are typically dependent on the images captured in real-world environments. This means that images might be affected by different sources of perturbations (e.g. sensor noise in low-light environments). The main challenge arises by the fact that image quality directly impacts the reliability and consistency of classification tasks. This challenge has, hence, attracted wide interest within the computer vision communities. We propose a transformation step that attempts to enhance the generalization ability of CNN models in the presence of unseen noise in the test set. Concretely, the delineation maps of given images are determined using the CORF push-pull inhibition operator. Such an operation transforms an input image into a space that is more robust to noise before being processed by a CNN. We evaluated our approach on the Fashion MNIST data set with an AlexNet model. It turned out that the proposed CORF-augmented pipeline achieved comparable results on noise-free images to those of a conventional AlexNet classification model without CORF delineation maps, but it consistently achieved significantly superior performance on test images perturbed with different levels of Gaussian and uniform noise

Advancements and Breakthroughs in Ultrasound Imaging

Ultrasonic imaging is a powerful diagnostic tool available to medical practitioners, engineers and researchers today. Due to the relative safety, and the non-invasive nature, ultrasonic imaging has become one of the most rapidly advancing technologies. These rapid advances are directly related to the parallel advancements in electronics, computing, and transducer technology together with sophisticated signal processing techniques. This book focuses on state of the art developments in ultrasonic imaging applications and underlying technologies presented by leading practitioners and researchers from many parts of the world

Case series of breast fillers and how things may go wrong: radiology point of view

INTRODUCTION: Breast augmentation is a procedure opted by women to overcome sagging breast due to breastfeeding or aging as well as small breast size. Recent years have shown the emergence of a variety of injectable materials on market as breast fillers. These injectable breast fillers have swiftly gained popularity among women, considering the minimal invasiveness of the procedure, nullifying the need for terrifying surgery. Little do they know that the procedure may pose detrimental complications, while visualization of breast parenchyma infiltrated by these fillers is also deemed substandard; posing diagnostic challenges. We present a case series of three patients with prior history of hyaluronic acid and collagen breast injections. REPORT: The first patient is a 37-year-old lady who presented to casualty with worsening shortness of breath, non-productive cough, central chest pain; associated with fever and chills for 2-weeks duration. The second patient is a 34-year-old lady who complained of cough, fever and haemoptysis; associated with shortness of breath for 1-week duration. CT in these cases revealed non thrombotic wedge-shaped peripheral air-space densities. The third patient is a 37‐year‐old female with right breast pain, swelling and redness for 2- weeks duration. Previous collagen breast injection performed 1 year ago had impeded sonographic visualization of the breast parenchyma. MRI breasts showed multiple non- enhancing round and oval shaped lesions exhibiting fat intensity. CONCLUSION: Radiologists should be familiar with the potential risks and hazards as well as limitations of imaging posed by breast fillers such that MRI is required as problem-solving tool

Characterization of alar ligament on 3.0T MRI: a cross-sectional study in IIUM Medical Centre, Kuantan

INTRODUCTION: The main purpose of the study is to compare the normal anatomy of alar ligament on MRI between male and female. The specific objectives are to assess the prevalence of alar ligament visualized on MRI, to describe its characteristics in term of its course, shape and signal homogeneity and to find differences in alar ligament signal intensity between male and female. This study also aims to determine the association between the heights of respondents with alar ligament signal intensity and dimensions. MATERIALS & METHODS: 50 healthy volunteers were studied on 3.0T MR scanner Siemens Magnetom Spectra using 2-mm proton density, T2 and fat-suppression sequences. Alar ligament is depicted in 3 planes and the visualization and variability of the ligament courses, shapes and signal intensity characteristics were determined. The alar ligament dimensions were also measured. RESULTS: Alar ligament was best depicted in coronal plane, followed by sagittal and axial planes. The orientations were laterally ascending in most of the subjects (60%), predominantly oval in shaped (54%) and 67% showed inhomogenous signal. No significant difference of alar ligament signal intensity between male and female respondents. No significant association was found between the heights of the respondents with alar ligament signal intensity and dimensions. CONCLUSION: Employing a 3.0T MR scanner, the alar ligament is best portrayed on coronal plane, followed by sagittal and axial planes. However, tremendous variability of alar ligament as depicted in our data shows that caution needs to be exercised when evaluating alar ligament, especially during circumstances of injury

Pameran Reka Cipta, Penyelidikan dan Inovasi (PRPI) 2009

PRPI 2009 kini telah memasuki tahun penganjurannya yang ke-7. Pameran penyelidikan di UPM telah bermula sejak tahun 1997 semasa Exhibition & Seminar Harnessing for Industry Advantage. Pada tahun 2002, Pameran Reka Cipta dan Penyelidikan (PRP) buat pertama kali telah diadakan dengan menggunakan konsep pertandingan hasil projek penyelidikan yang telah dijalankan oleh para penyelidik UPM. Kejayaan penganjuran PRP 2002 telah merintis usaha untuk menjadikannya sebagai aktiviti tahunan UPM dan ianya terus berkembang sejajar dengan nama baharunya yang ditukar kepada Pameran Reka Cipta, Penyelidikan dan Inovasi yang bermula penganjurannya pada tahun 2005. Sebagai kesinambungan daripada kejayaan penganjuran PRPI 2006, 2007 dan 2008 yang lalu dan status UPM sebagai salah sebuah Universiti Penyelidikan, PRPI 2009 kali ini yang merupakan pameran penyelidikan yang terbesar di UPM terus dilaksanakan dengan aspirasi dan semangat yang lebih jitu. Pameran ini juga menjadi pelantar kepada para penyelidik untuk mengenengahkan hasil penyelidikan yang dijalankan dan penemuan baharu kepada umum. Di samping itu ianya juga menjadi penanda aras terhadap kualiti sesuatu projek penyelidikan bagi melayakkan para penyelidik UPM untuk menyertai pameran di peringkat kebangsaan dan seterusnya antarabangsa. Adalah diharapkan pelaksanaan PRPI 2009 ini akan dapat menyemarakkan budaya penyelidikan di kalangan staf dan juga pelajar UPM sekaligus menjadikan UPM sebagai Universiti Penyelidikan yang cemerlang di negara ini