316 research outputs found

    DeepSeg: Deep Neural Network Framework for Automatic Brain Tumor Segmentation using Magnetic Resonance FLAIR Images

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    Purpose: Gliomas are the most common and aggressive type of brain tumors due to their infiltrative nature and rapid progression. The process of distinguishing tumor boundaries from healthy cells is still a challenging task in the clinical routine. Fluid-Attenuated Inversion Recovery (FLAIR) MRI modality can provide the physician with information about tumor infiltration. Therefore, this paper proposes a new generic deep learning architecture; namely DeepSeg for fully automated detection and segmentation of the brain lesion using FLAIR MRI data. Methods: The developed DeepSeg is a modular decoupling framework. It consists of two connected core parts based on an encoding and decoding relationship. The encoder part is a convolutional neural network (CNN) responsible for spatial information extraction. The resulting semantic map is inserted into the decoder part to get the full resolution probability map. Based on modified U-Net architecture, different CNN models such as Residual Neural Network (ResNet), Dense Convolutional Network (DenseNet), and NASNet have been utilized in this study. Results: The proposed deep learning architectures have been successfully tested and evaluated on-line based on MRI datasets of Brain Tumor Segmentation (BraTS 2019) challenge, including s336 cases as training data and 125 cases for validation data. The dice and Hausdorff distance scores of obtained segmentation results are about 0.81 to 0.84 and 9.8 to 19.7 correspondingly. Conclusion: This study showed successful feasibility and comparative performance of applying different deep learning models in a new DeepSeg framework for automated brain tumor segmentation in FLAIR MR images. The proposed DeepSeg is open-source and freely available at https://github.com/razeineldin/DeepSeg/.Comment: Accepted to International Journal of Computer Assisted Radiology and Surger

    DSNN: A DenseNet-Based SNN for Explainable Brain Disease Classification

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    Aims: Brain diseases refer to intracranial tissue and organ inflammation, vascular diseases, tumors, degeneration, malformations, genetic diseases, immune diseases, nutritional and metabolic diseases, poisoning, trauma, parasitic diseases, etc. Taking Alzheimer's disease (AD) as an example, the number of patients dramatically increases in developed countries. By 2025, the number of elderly patients with AD aged 65 and over will reach 7.1 million, an increase of nearly 29% over the 5.5 million patients of the same age in 2018. Unless medical breakthroughs are made, AD patients may increase from 5.5 million to 13.8 million by 2050, almost three times the original. Researchers have focused on developing complex machine learning (ML) algorithms, i.e., convolutional neural networks (CNNs), containing millions of parameters. However, CNN models need many training samples. A small number of training samples in CNN models may lead to overfitting problems. With the continuous research of CNN, other networks have been proposed, such as randomized neural networks (RNNs). Schmidt neural network (SNN), random vector functional link (RVFL), and extreme learning machine (ELM) are three types of RNNs.Methods: We propose three novel models to classify brain diseases to cope with these problems. The proposed models are DenseNet-based SNN (DSNN), DenseNet-based RVFL (DRVFL), and DenseNet-based ELM (DELM). The backbone of the three proposed models is the pre-trained "customize" DenseNet. The modified DenseNet is fine-tuned on the empirical dataset. Finally, the last five layers of the fine-tuned DenseNet are substituted by SNN, ELM, and RVFL, respectively.Results: Overall, the DSNN gets the best performance among the three proposed models in classification performance. We evaluate the proposed DSNN by five-fold cross-validation. The accuracy, sensitivity, specificity, precision, and F1-score of the proposed DSNN on the test set are 98.46% +/- 2.05%, 100.00% +/- 0.00%, 85.00% +/- 20.00%, 98.36% +/- 2.17%, and 99.16% +/- 1.11%, respectively. The proposed DSNN is compared with restricted DenseNet, spiking neural network, and other state-of-the-art methods. Finally, our model obtains the best results among all models.Conclusions: DSNN is an effective model for classifying brain diseases.Hope Foundation for Cancer Research, UK RM60G0680Royal Society International Exchanges Cost Share Award, UK RP202G0230Medical Research Council Confidence in Concept Award, UK MC_PC_17171British Heart Foundation Accelerator Award, UK AA/18/3/34220Sino-UK Industrial Fund, UK RP202G0289Global Challenges Research Fund (GCRF), UK P202PF11LIAS Pioneering Partnerships award, UK P202ED10Data Science Enhancement Fund, UK P202RE237Guangxi Key Laboratory of Trusted Software kx20190

    Intelligent Breast Cancer Diagnosis with Heuristic-assisted Trans-Res-U-Net and Multiscale DenseNet using Mammogram Images

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    Breast cancer (BC) significantly contributes to cancer-related mortality in women, underscoring the criticality of early detection for optimal patient outcomes. A mammography is a key tool for identifying and diagnosing breast abnormalities; however, accurately distinguishing malignant mass lesions remains challenging. To address this issue, we propose a novel deep learning approach for BC screening utilizing mammography images. Our proposed model comprises three distinct stages: data collection from established benchmark sources, image segmentation employing an Atrous Convolution-based Attentive and Adaptive Trans-Res-UNet (ACA-ATRUNet) architecture, and BC identification via an Atrous Convolution-based Attentive and Adaptive Multi-scale DenseNet (ACA-AMDN) model. The hyperparameters within the ACA-ATRUNet and ACA-AMDN models are optimised using the Modified Mussel Length-based Eurasian Oystercatcher Optimization (MML-EOO) algorithm. Performance evaluation, leveraging multiple metrics, is conducted, and a comparative analysis against conventional methods is presented. Our experimental findings reveal that the proposed BC detection framework attains superior precision rates in early disease detection, demonstrating its potential to enhance mammography-based screening methodologies.Comment: 22 pages, 17 figures, 4 Tables and Appendix A: Supplementary Materia

    Deep Multimodality Image-Guided System for Assisting Neurosurgery

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    Intrakranielle Hirntumoren gehören zu den zehn häufigsten bösartigen Krebsarten und sind für eine erhebliche Morbidität und Mortalität verantwortlich. Die größte histologische Kategorie der primären Hirntumoren sind die Gliome, die ein äußerst heterogenes Erschei-nungsbild aufweisen und radiologisch schwer von anderen Hirnläsionen zu unterscheiden sind. Die Neurochirurgie ist meist die Standardbehandlung für neu diagnostizierte Gliom-Patienten und kann von einer Strahlentherapie und einer adjuvanten Temozolomid-Chemotherapie gefolgt werden. Die Hirntumorchirurgie steht jedoch vor großen Herausforderungen, wenn es darum geht, eine maximale Tumorentfernung zu erreichen und gleichzeitig postoperative neurologische Defizite zu vermeiden. Zwei dieser neurochirurgischen Herausforderungen werden im Folgenden vorgestellt. Erstens ist die manuelle Abgrenzung des Glioms einschließlich seiner Unterregionen aufgrund seines infiltrativen Charakters und des Vorhandenseins einer heterogenen Kontrastverstärkung schwierig. Zweitens verformt das Gehirn seine Form ̶ die so genannte "Hirnverschiebung" ̶ als Reaktion auf chirurgische Manipulationen, Schwellungen durch osmotische Medikamente und Anästhesie, was den Nutzen präopera-tiver Bilddaten für die Steuerung des Eingriffs einschränkt. Bildgesteuerte Systeme bieten Ärzten einen unschätzbaren Einblick in anatomische oder pathologische Ziele auf der Grundlage moderner Bildgebungsmodalitäten wie Magnetreso-nanztomographie (MRT) und Ultraschall (US). Bei den bildgesteuerten Instrumenten handelt es sich hauptsächlich um computergestützte Systeme, die mit Hilfe von Computer-Vision-Methoden die Durchführung perioperativer chirurgischer Eingriffe erleichtern. Die Chirurgen müssen jedoch immer noch den Operationsplan aus präoperativen Bildern gedanklich mit Echtzeitinformationen zusammenführen, während sie die chirurgischen Instrumente im Körper manipulieren und die Zielerreichung überwachen. Daher war die Notwendigkeit einer Bildführung während neurochirurgischer Eingriffe schon immer ein wichtiges Anliegen der Ärzte. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Systems für die peri-operative bildgeführte Neurochirurgie (IGN), nämlich DeepIGN, mit dem die erwarteten Ergebnisse der Hirntumorchirurgie erzielt werden können, wodurch die Gesamtüberle-bensrate maximiert und die postoperative neurologische Morbidität minimiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst neuartige Methoden für die Kernbestandteile des DeepIGN-Systems der Hirntumor-Segmentierung im MRT und der multimodalen präope-rativen MRT zur intraoperativen US-Bildregistrierung (iUS) unter Verwendung der jüngs-ten Entwicklungen im Deep Learning vorgeschlagen. Anschließend wird die Ergebnisvor-hersage der verwendeten Deep-Learning-Netze weiter interpretiert und untersucht, indem für den Menschen verständliche, erklärbare Karten erstellt werden. Schließlich wurden Open-Source-Pakete entwickelt und in weithin anerkannte Software integriert, die für die Integration von Informationen aus Tracking-Systemen, die Bildvisualisierung und -fusion sowie die Anzeige von Echtzeit-Updates der Instrumente in Bezug auf den Patientenbe-reich zuständig ist. Die Komponenten von DeepIGN wurden im Labor validiert und in einem simulierten Operationssaal evaluiert. Für das Segmentierungsmodul erreichte DeepSeg, ein generisches entkoppeltes Deep-Learning-Framework für die automatische Abgrenzung von Gliomen in der MRT des Gehirns, eine Genauigkeit von 0,84 in Bezug auf den Würfelkoeffizienten für das Bruttotumorvolumen. Leistungsverbesserungen wurden bei der Anwendung fort-schrittlicher Deep-Learning-Ansätze wie 3D-Faltungen über alle Schichten, regionenbasier-tes Training, fliegende Datenerweiterungstechniken und Ensemble-Methoden beobachtet. Um Hirnverschiebungen zu kompensieren, wird ein automatisierter, schneller und genauer deformierbarer Ansatz, iRegNet, für die Registrierung präoperativer MRT zu iUS-Volumen als Teil des multimodalen Registrierungsmoduls vorgeschlagen. Es wurden umfangreiche Experimente mit zwei Multi-Location-Datenbanken durchgeführt: BITE und RESECT. Zwei erfahrene Neurochirurgen führten eine zusätzliche qualitative Validierung dieser Studie durch, indem sie MRT-iUS-Paare vor und nach der deformierbaren Registrierung überlagerten. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene iRegNet schnell ist und die besten Genauigkeiten erreicht. Darüber hinaus kann das vorgeschlagene iRegNet selbst bei nicht trainierten Bildern konkurrenzfähige Ergebnisse liefern, was seine Allgemeingültigkeit unter Beweis stellt und daher für die intraoperative neurochirurgische Führung von Nutzen sein kann. Für das Modul "Erklärbarkeit" wird das NeuroXAI-Framework vorgeschlagen, um das Vertrauen medizinischer Experten in die Anwendung von KI-Techniken und tiefen neuro-nalen Netzen zu erhöhen. Die NeuroXAI umfasst sieben Erklärungsmethoden, die Visuali-sierungskarten bereitstellen, um tiefe Lernmodelle transparent zu machen. Die experimen-tellen Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene XAI-Rahmen eine gute Leistung bei der Extraktion lokaler und globaler Kontexte sowie bei der Erstellung erklärbarer Salienzkar-ten erzielt, um die Vorhersage des tiefen Netzwerks zu verstehen. Darüber hinaus werden Visualisierungskarten erstellt, um den Informationsfluss in den internen Schichten des Encoder-Decoder-Netzwerks zu erkennen und den Beitrag der MRI-Modalitäten zur end-gültigen Vorhersage zu verstehen. Der Erklärungsprozess könnte medizinischen Fachleu-ten zusätzliche Informationen über die Ergebnisse der Tumorsegmentierung liefern und somit helfen zu verstehen, wie das Deep-Learning-Modell MRT-Daten erfolgreich verar-beiten kann. Außerdem wurde ein interaktives neurochirurgisches Display für die Eingriffsführung entwickelt, das die verfügbare kommerzielle Hardware wie iUS-Navigationsgeräte und Instrumentenverfolgungssysteme unterstützt. Das klinische Umfeld und die technischen Anforderungen des integrierten multimodalen DeepIGN-Systems wurden mit der Fähigkeit zur Integration von (1) präoperativen MRT-Daten und zugehörigen 3D-Volumenrekonstruktionen, (2) Echtzeit-iUS-Daten und (3) positioneller Instrumentenver-folgung geschaffen. Die Genauigkeit dieses Systems wurde anhand eines benutzerdefi-nierten Agar-Phantom-Modells getestet, und sein Einsatz in einem vorklinischen Operati-onssaal wurde simuliert. Die Ergebnisse der klinischen Simulation bestätigten, dass die Montage des Systems einfach ist, in einer klinisch akzeptablen Zeit von 15 Minuten durchgeführt werden kann und mit einer klinisch akzeptablen Genauigkeit erfolgt. In dieser Arbeit wurde ein multimodales IGN-System entwickelt, das die jüngsten Fort-schritte im Bereich des Deep Learning nutzt, um Neurochirurgen präzise zu führen und prä- und intraoperative Patientenbilddaten sowie interventionelle Geräte in das chirurgi-sche Verfahren einzubeziehen. DeepIGN wurde als Open-Source-Forschungssoftware entwickelt, um die Forschung auf diesem Gebiet zu beschleunigen, die gemeinsame Nut-zung durch mehrere Forschungsgruppen zu erleichtern und eine kontinuierliche Weiter-entwicklung durch die Gemeinschaft zu ermöglichen. Die experimentellen Ergebnisse sind sehr vielversprechend für die Anwendung von Deep-Learning-Modellen zur Unterstützung interventioneller Verfahren - ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der chirurgi-schen Behandlung von Hirntumoren und der entsprechenden langfristigen postoperativen Ergebnisse

    Medical Image Segmentation Review: The success of U-Net

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    Automatic medical image segmentation is a crucial topic in the medical domain and successively a critical counterpart in the computer-aided diagnosis paradigm. U-Net is the most widespread image segmentation architecture due to its flexibility, optimized modular design, and success in all medical image modalities. Over the years, the U-Net model achieved tremendous attention from academic and industrial researchers. Several extensions of this network have been proposed to address the scale and complexity created by medical tasks. Addressing the deficiency of the naive U-Net model is the foremost step for vendors to utilize the proper U-Net variant model for their business. Having a compendium of different variants in one place makes it easier for builders to identify the relevant research. Also, for ML researchers it will help them understand the challenges of the biological tasks that challenge the model. To address this, we discuss the practical aspects of the U-Net model and suggest a taxonomy to categorize each network variant. Moreover, to measure the performance of these strategies in a clinical application, we propose fair evaluations of some unique and famous designs on well-known datasets. We provide a comprehensive implementation library with trained models for future research. In addition, for ease of future studies, we created an online list of U-Net papers with their possible official implementation. All information is gathered in https://github.com/NITR098/Awesome-U-Net repository.Comment: Submitted to the IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence Journa
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