A Review on Data Fusion of Multidimensional Medical and Biomedical Data

Data fusion aims to provide a more accurate description of a sample than any one source of data alone. At the same time, data fusion minimizes the uncertainty of the results by combining data from multiple sources. Both aim to improve the characterization of samples and might improve clinical diagnosis and prognosis. In this paper, we present an overview of the advances achieved over the last decades in data fusion approaches in the context of the medical and biomedical fields. We collected approaches for interpreting multiple sources of data in different combinations: image to image, image to biomarker, spectra to image, spectra to spectra, spectra to biomarker, and others. We found that the most prevalent combination is the image-to-image fusion and that most data fusion approaches were applied together with deep learning or machine learning methods

Challenges and Opportunities of End-to-End Learning in Medical Image Classification

Das Paradigma des End-to-End Lernens hat in den letzten Jahren die Bilderkennung revolutioniert, aber die klinische Anwendung hinkt hinterher. Bildbasierte computergestützte Diagnosesysteme basieren immer noch weitgehend auf hochtechnischen und domänen-spezifischen Pipelines, die aus unabhängigen regelbasierten Modellen bestehen, welche die Teilaufgaben der Bildklassifikation wiederspiegeln: Lokalisation von auffälligen Regionen, Merkmalsextraktion und Entscheidungsfindung. Das Versprechen einer überlegenen Entscheidungsfindung beim End-to-End Lernen ergibt sich daraus, dass domänenspezifische Zwangsbedingungen von begrenzter Komplexität entfernt werden und stattdessen alle Systemkomponenten gleichzeitig, direkt anhand der Rohdaten, und im Hinblick auf die letztendliche Aufgabe optimiert werden. Die Gründe dafür, dass diese Vorteile noch nicht den Weg in die Klinik gefunden haben, d.h. die Herausforderungen, die sich bei der Entwicklung Deep Learning-basierter Diagnosesysteme stellen, sind vielfältig: Die Tatsache, dass die Generalisierungsfähigkeit von Lernalgorithmen davon abhängt, wie gut die verfügbaren Trainingsdaten die tatsächliche zugrundeliegende Datenverteilung abbilden, erweist sich in medizinische Anwendungen als tiefgreifendes Problem. Annotierte Datensätze in diesem Bereich sind notorisch klein, da für die Annotation eine kostspielige Beurteilung durch Experten erforderlich ist und die Zusammenlegung kleinerer Datensätze oft durch Datenschutzauflagen und Patientenrechte erschwert wird. Darüber hinaus weisen medizinische Datensätze drastisch unterschiedliche Eigenschaften im Bezug auf Bildmodalitäten, Bildgebungsprotokolle oder Anisotropien auf, und die oft mehrdeutige Evidenz in medizinischen Bildern kann sich auf inkonsistente oder fehlerhafte Trainingsannotationen übertragen. Während die Verschiebung von Datenverteilungen zwischen Forschungsumgebung und Realität zu einer verminderten Modellrobustheit führt und deshalb gegenwärtig als das Haupthindernis für die klinische Anwendung von Lernalgorithmen angesehen wird, wird dieser Graben oft noch durch Störfaktoren wie Hardwarelimitationen oder Granularität von gegebenen Annotation erweitert, die zu Diskrepanzen zwischen der modellierten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung führen. Diese Arbeit untersucht das Potenzial des End-to-End-Lernens in klinischen Diagnosesystemen und präsentiert Beiträge zu einigen der wichtigsten Herausforderungen, die derzeit eine breite klinische Anwendung verhindern. Zunächst wird der letzten Teil der Klassifikations-Pipeline untersucht, die Kategorisierung in klinische Pathologien. Wir demonstrieren, wie das Ersetzen des gegenwärtigen klinischen Standards regelbasierter Entscheidungen durch eine groß angelegte Merkmalsextraktion gefolgt von lernbasierten Klassifikatoren die Brustkrebsklassifikation im MRT signifikant verbessert und eine Leistung auf menschlichem Level erzielt. Dieser Ansatz wird weiter anhand von kardiologischer Diagnose gezeigt. Zweitens ersetzen wir, dem Paradigma des End-to-End Lernens folgend, das biophysikalische Modell, das für die Bildnormalisierung in der MRT angewandt wird, sowie die Extraktion handgefertigter Merkmale, durch eine designierte CNN-Architektur und liefern eine eingehende Analyse, die das verborgene Potenzial der gelernten Bildnormalisierung und einen Komplementärwert der gelernten Merkmale gegenüber den handgefertigten Merkmalen aufdeckt. Während dieser Ansatz auf markierten Regionen arbeitet und daher auf manuelle Annotation angewiesen ist, beziehen wir im dritten Teil die Aufgabe der Lokalisierung dieser Regionen in den Lernprozess ein, um eine echte End-to-End-Diagnose baserend auf den Rohbildern zu ermöglichen. Dabei identifizieren wir eine weitgehend vernachlässigte Zwangslage zwischen dem Streben nach der Auswertung von Modellen auf klinisch relevanten Skalen auf der einen Seite, und der Optimierung für effizientes Training unter Datenknappheit auf der anderen Seite. Wir präsentieren ein Deep Learning Modell, das zur Auflösung dieses Kompromisses beiträgt, liefern umfangreiche Experimente auf drei medizinischen Datensätzen sowie eine Serie von Toy-Experimenten, die das Verhalten bei begrenzten Trainingsdaten im Detail untersuchen, und publiziren ein umfassendes Framework, das unter anderem die ersten 3D-Implementierungen gängiger Objekterkennungsmodelle umfasst. Wir identifizieren weitere Hebelpunkte in bestehenden End-to-End-Lernsystemen, bei denen Domänenwissen als Zwangsbedingung dienen kann, um die Robustheit von Modellen in der medizinischen Bildanalyse zu erhöhen, die letztendlich dazu beitragen sollen, den Weg für die Anwendung in der klinischen Praxis zu ebnen. Zu diesem Zweck gehen wir die Herausforderung fehlerhafter Trainingsannotationen an, indem wir die Klassifizierungskompnente in der End-to-End-Objekterkennung durch Regression ersetzen, was es ermöglicht, Modelle direkt auf der kontinuierlichen Skala der zugrunde liegenden pathologischen Prozesse zu trainieren und so die Robustheit der Modelle gegenüber fehlerhaften Trainingsannotationen zu erhöhen. Weiter adressieren wir die Herausforderung der Input-Heterogenitäten, mit denen trainierte Modelle konfrontiert sind, wenn sie an verschiedenen klinischen Orten eingesetzt werden, indem wir eine modellbasierte Domänenanpassung vorschlagen, die es ermöglicht, die ursprüngliche Trainingsdomäne aus veränderten Inputs wiederherzustellen und damit eine robuste Generalisierung zu gewährleisten. Schließlich befassen wir uns mit dem höchst unsystematischen, aufwendigen und subjektiven Trial-and-Error-Prozess zum Finden von robusten Hyperparametern für einen gegebene Aufgabe, indem wir Domänenwissen in ein Set systematischer Regeln überführen, die eine automatisierte und robuste Konfiguration von Deep Learning Modellen auf einer Vielzahl von medizinischen Datensetzen ermöglichen. Zusammenfassend zeigt die hier vorgestellte Arbeit das enorme Potenzial von End-to-End Lernalgorithmen im Vergleich zum klinischen Standard mehrteiliger und hochtechnisierter Diagnose-Pipelines auf, und präsentiert Lösungsansätze zu einigen der wichtigsten Herausforderungen für eine breite Anwendung unter realen Bedienungen wie Datenknappheit, Diskrepanz zwischen der vom Modell behandelten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung, Mehrdeutigkeiten in Trainingsannotationen, oder Verschiebung von Datendomänen zwischen klinischen Standorten. Diese Beiträge können als Teil des übergreifende Zieles der Automatisierung von medizinischer Bildklassifikation gesehen werden - ein integraler Bestandteil des Wandels, der erforderlich ist, um die Zukunft des Gesundheitswesens zu gestalten

Deep learning for image-based liver analysis — A comprehensive review focusing on malignant lesions

Deep learning-based methods, in particular, convolutional neural networks and fully convolutional networks are now widely used in the medical image analysis domain. The scope of this review focuses on the analysis using deep learning of focal liver lesions, with a special interest in hepatocellular carcinoma and metastatic cancer; and structures like the parenchyma or the vascular system. Here, we address several neural network architectures used for analyzing the anatomical structures and lesions in the liver from various imaging modalities such as computed tomography, magnetic resonance imaging and ultrasound. Image analysis tasks like segmentation, object detection and classification for the liver, liver vessels and liver lesions are discussed. Based on the qualitative search, 91 papers were filtered out for the survey, including journal publications and conference proceedings. The papers reviewed in this work are grouped into eight categories based on the methodologies used. By comparing the evaluation metrics, hybrid models performed better for both the liver and the lesion segmentation tasks, ensemble classifiers performed better for the vessel segmentation tasks and combined approach performed better for both the lesion classification and detection tasks. The performance was measured based on the Dice score for the segmentation, and accuracy for the classification and detection tasks, which are the most commonly used metrics.publishedVersio

Novel Computer-Aided Diagnosis Schemes for Radiological Image Analysis

The computer-aided diagnosis (CAD) scheme is a powerful tool in assisting clinicians (e.g., radiologists) to interpret medical images more accurately and efficiently. In developing high-performing CAD schemes, classic machine learning (ML) and deep learning (DL) algorithms play an essential role because of their advantages in capturing meaningful patterns that are important for disease (e.g., cancer) diagnosis and prognosis from complex datasets. This dissertation, organized into four studies, investigates the feasibility of developing several novel ML-based and DL-based CAD schemes for different cancer research purposes. The first study aims to develop and test a unique radiomics-based CT image marker that can be used to detect lymph node (LN) metastasis for cervical cancer patients. A total of 1,763 radiomics features were first computed from the segmented primary cervical tumor depicted on one CT image with the maximal tumor region. Next, a principal component analysis algorithm was applied on the initial feature pool to determine an optimal feature cluster. Then, based on this optimal cluster, machine learning models (e.g., support vector machine (SVM)) were trained and optimized to generate an image marker to detect LN metastasis. The SVM based imaging marker achieved an AUC (area under the ROC curve) value of 0.841 ± 0.035. This study initially verifies the feasibility of combining CT images and the radiomics technology to develop a low-cost image marker for LN metastasis detection among cervical cancer patients. In the second study, the purpose is to develop and evaluate a unique global mammographic image feature analysis scheme to identify case malignancy for breast cancer. From the entire breast area depicted on the mammograms, 59 features were initially computed to characterize the breast tissue properties in both the spatial and frequency domain. Given that each case consists of two cranio-caudal and two medio-lateral oblique view images of left and right breasts, two feature pools were built, which contain the computed features from either two positive images of one breast or all the four images of two breasts. For each feature pool, a particle swarm optimization (PSO) method was applied to determine the optimal feature cluster followed by training an SVM classifier to generate a final score for predicting likelihood of the case being malignant. The classification performances measured by AUC were 0.79±0.07 and 0.75±0.08 when applying the SVM classifiers trained using image features computed from two-view and four-view images, respectively. This study demonstrates the potential of developing a global mammographic image feature analysis-based scheme to predict case malignancy without including an arduous segmentation of breast lesions. In the third study, given that the performance of DL-based models in the medical imaging field is generally bottlenecked by a lack of sufficient labeled images, we specifically investigate the effectiveness of applying the latest transferring generative adversarial networks (GAN) technology to augment limited data for performance boost in the task of breast mass classification. This transferring GAN model was first pre-trained on a dataset of 25,000 mammogram patches (without labels). Then its generator and the discriminator were fine-tuned on a much smaller dataset containing 1024 labeled breast mass images. A supervised loss was integrated with the discriminator, such that it can be used to directly classify the benign/malignant masses. Our proposed approach improved the classification accuracy by 6.002%, when compared with the classifiers trained without traditional data augmentation. This investigation may provide a new perspective for researchers to effectively train the GAN models on a medical imaging task with only limited datasets. Like the third study, our last study also aims to alleviate DL models’ reliance on large amounts of annotations but uses a totally different approach. We propose employing a semi-supervised method, i.e., virtual adversarial training (VAT), to learn and leverage useful information underlying in unlabeled data for better classification of breast masses. Accordingly, our VAT-based models have two types of losses, namely supervised and virtual adversarial losses. The former loss acts as in supervised classification, while the latter loss works towards enhancing the model’s robustness against virtual adversarial perturbation, thus improving model generalizability. A large CNN and a small CNN were used in this investigation, and both were trained with and without the adversarial loss. When the labeled ratios were 40% and 80%, VAT-based CNNs delivered the highest classification accuracy of 0.740±0.015 and 0.760±0.015, respectively. The experimental results suggest that the VAT-based CAD scheme can effectively utilize meaningful knowledge from unlabeled data to better classify mammographic breast mass images. In summary, several innovative approaches have been investigated and evaluated in this dissertation to develop ML-based and DL-based CAD schemes for the diagnosis of cervical cancer and breast cancer. The promising results demonstrate the potential of these CAD schemes in assisting radiologists to achieve a more accurate interpretation of radiological images

Imaging Sensors and Applications

In past decades, various sensor technologies have been used in all areas of our lives, thus improving our quality of life. In particular, imaging sensors have been widely applied in the development of various imaging approaches such as optical imaging, ultrasound imaging, X-ray imaging, and nuclear imaging, and contributed to achieve high sensitivity, miniaturization, and real-time imaging. These advanced image sensing technologies play an important role not only in the medical field but also in the industrial field. This Special Issue covers broad topics on imaging sensors and applications. The scope range of imaging sensors can be extended to novel imaging sensors and diverse imaging systems, including hardware and software advancements. Additionally, biomedical and nondestructive sensing applications are welcome