Computational Anatomy for Multi-Organ Analysis in Medical Imaging: A Review

The medical image analysis field has traditionally been focused on the development of organ-, and disease-specific methods. Recently, the interest in the development of more 20 comprehensive computational anatomical models has grown, leading to the creation of multi-organ models. Multi-organ approaches, unlike traditional organ-specific strategies, incorporate inter-organ relations into the model, thus leading to a more accurate representation of the complex human anatomy. Inter-organ relations are not only spatial, but also functional and physiological. Over the years, the strategies 25 proposed to efficiently model multi-organ structures have evolved from the simple global modeling, to more sophisticated approaches such as sequential, hierarchical, or machine learning-based models. In this paper, we present a review of the state of the art on multi-organ analysis and associated computation anatomy methodology. The manuscript follows a methodology-based classification of the different techniques 30 available for the analysis of multi-organs and multi-anatomical structures, from techniques using point distribution models to the most recent deep learning-based approaches. With more than 300 papers included in this review, we reflect on the trends and challenges of the field of computational anatomy, the particularities of each anatomical region, and the potential of multi-organ analysis to increase the impact of 35 medical imaging applications on the future of healthcare.Comment: Paper under revie

Proceedings of the 2019 Joint Workshop of Fraunhofer IOSB and Institute for Anthropomatics, Vision and Fusion Laboratory

In 2019 again, the annual joint workshop of the Fraunhofer IOSB and the Vision and Fusion Laboratory of the Karlsruhe Institute of Technology took place. The doctoral students of both institutions presented extensive reports on the status of their research and discussed topics ranging from computer vision and optical metrology to network security, usage control and machine learning. The results and ideas presented at the workshop are collected in this book in the form of technical reports

Deep representation learning for marker-less human posture analysis

This thesis presents a holistic human posture analysis system. The proposed system leverages the state-of-the-art deep learning techniques to feature a comprehensive pipeline. Moreover, a new nonlinear computational layer is proposed to the deep convolutional neural network architectures to incorporate human perception capabilities into the deep learning architectures

Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken

Human Pose Estimation with Supervoxels

This thesis investigates how segmentation as a preprocessing step can reduce both the search space as well as complexity of human pose estimation in the context of smart environments. A 3D reconstruction is computed with a voxel carving algorithm. Based on a superpixel algorithm, these voxels are segmented into supervoxels that are then applied to pictorial structures in 3D to efficiently estimate the human pose. Both static and dynamic gesture recognition applications were developed