Development of the principles of fuzzy rule-based system for hepatocelular carcinoma staging

The article proposes the principles for the development of a fuzzy rule-based physician decision support system n to determine the stages of the most common hepatocellular carcinoma (HCC) among malignant tumors of liver. The stages of HCC, i.e., critical situations, are expressed by different combinations of clinical signs of input data and emerging clinical conditions. These combinations shape the multiplicity of possible situations (critical situations) by forming linguistic rules that are in fuzzy relations with one another. The article presents the task of developing a fuzzy rules-based system for HCC staging by classifying the set of possible situations into given classes. In order to solve the problem, fuzzy rules of clinical situations and critical situations deviated from them are developed according to the possible clinical signs of input data. The rules in accordance with the decision-making process are developed in two phases. In the first phase, three input data are developed: nine rules are developed to determine possible clinical conditions based on the number, size, and vascular invasion of tumor. In the second phase, seven rules are developed based on possible combinations of input data on the presence of lymph nodes and metastases in these nine clinical conditions. At this stage, the rules representing the fuzzification of results obtained are also described. The latter provide an interpretation of results and a decision on related stage of HCC. It also proposes a functional scheme of fuzzy rules-based system for HCC staging, and presents the working principle of structural blocks. The fuzzy rule-based system for HCC staging can be used to support physicians to make diagnostic and treatment decision

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

Medical Diagnosis with Multimodal Image Fusion Techniques

Image Fusion is an effective approach utilized to draw out all the significant information from the source images, which supports experts in evaluation and quick decision making. Multi modal medical image fusion produces a composite fused image utilizing various sources to improve quality and extract complementary information. It is extremely challenging to gather every piece of information needed using just one imaging method. Therefore, images obtained from different modalities are fused Additional clinical information can be gleaned through the fusion of several types of medical image pairings. This study's main aim is to present a thorough review of medical image fusion techniques which also covers steps in fusion process, levels of fusion, various imaging modalities with their pros and cons, and  the major scientific difficulties encountered in the area of medical image fusion. This paper also summarizes the quality assessments fusion metrics. The various approaches used by image fusion algorithms that are presently available in the literature are classified into four broad categories i) Spatial fusion methods ii) Multiscale Decomposition based methods iii) Neural Network based methods and iv) Fuzzy Logic based methods. the benefits and pitfalls of the existing literature are explored and Future insights are suggested. Moreover, this study is anticipated to create a solid platform for the development of better fusion techniques in medical applications

Advanced machine learning methods for oncological image analysis

Cancer is a major public health problem, accounting for an estimated 10 million deaths worldwide in 2020 alone. Rapid advances in the field of image acquisition and hardware development over the past three decades have resulted in the development of modern medical imaging modalities that can capture high-resolution anatomical, physiological, functional, and metabolic quantitative information from cancerous organs. Therefore, the applications of medical imaging have become increasingly crucial in the clinical routines of oncology, providing screening, diagnosis, treatment monitoring, and non/minimally- invasive evaluation of disease prognosis. The essential need for medical images, however, has resulted in the acquisition of a tremendous number of imaging scans. Considering the growing role of medical imaging data on one side and the challenges of manually examining such an abundance of data on the other side, the development of computerized tools to automatically or semi-automatically examine the image data has attracted considerable interest. Hence, a variety of machine learning tools have been developed for oncological image analysis, aiming to assist clinicians with repetitive tasks in their workflow. This thesis aims to contribute to the field of oncological image analysis by proposing new ways of quantifying tumor characteristics from medical image data. Specifically, this thesis consists of six studies, the first two of which focus on introducing novel methods for tumor segmentation. The last four studies aim to develop quantitative imaging biomarkers for cancer diagnosis and prognosis. The main objective of Study I is to develop a deep learning pipeline capable of capturing the appearance of lung pathologies, including lung tumors, and integrating this pipeline into the segmentation networks to leverage the segmentation accuracy. The proposed pipeline was tested on several comprehensive datasets, and the numerical quantifications show the superiority of the proposed prior-aware DL framework compared to the state of the art. Study II aims to address a crucial challenge faced by supervised segmentation models: dependency on the large-scale labeled dataset. In this study, an unsupervised segmentation approach is proposed based on the concept of image inpainting to segment lung and head- neck tumors in images from single and multiple modalities. The proposed autoinpainting pipeline shows great potential in synthesizing high-quality tumor-free images and outperforms a family of well-established unsupervised models in terms of segmentation accuracy. Studies III and IV aim to automatically discriminate the benign from the malignant pulmonary nodules by analyzing the low-dose computed tomography (LDCT) scans. In Study III, a dual-pathway deep classification framework is proposed to simultaneously take into account the local intra-nodule heterogeneities and the global contextual information. Study IV seeks to compare the discriminative power of a series of carefully selected conventional radiomics methods, end-to-end Deep Learning (DL) models, and deep features-based radiomics analysis on the same dataset. The numerical analyses show the potential of fusing the learned deep features into radiomic features for boosting the classification power. Study V focuses on the early assessment of lung tumor response to the applied treatments by proposing a novel feature set that can be interpreted physiologically. This feature set was employed to quantify the changes in the tumor characteristics from longitudinal PET-CT scans in order to predict the overall survival status of the patients two years after the last session of treatments. The discriminative power of the introduced imaging biomarkers was compared against the conventional radiomics, and the quantitative evaluations verified the superiority of the proposed feature set. Whereas Study V focuses on a binary survival prediction task, Study VI addresses the prediction of survival rate in patients diagnosed with lung and head-neck cancer by investigating the potential of spherical convolutional neural networks and comparing their performance against other types of features, including radiomics. While comparable results were achieved in intra- dataset analyses, the proposed spherical-based features show more predictive power in inter-dataset analyses. In summary, the six studies incorporate different imaging modalities and a wide range of image processing and machine-learning techniques in the methods developed for the quantitative assessment of tumor characteristics and contribute to the essential procedures of cancer diagnosis and prognosis

Machine Learning/Deep Learning in Medical Image Processing

Many recent studies on medical image processing have involved the use of machine learning (ML) and deep learning (DL). This special issue, “Machine Learning/Deep Learning in Medical Image Processing”, has been launched to provide an opportunity for researchers in the area of medical image processing to highlight recent developments made in their fields with ML/DL. Seven excellent papers that cover a wide variety of medical/clinical aspects are selected in this special issue

Focal Spot, Spring 2008

https://digitalcommons.wustl.edu/focal_spot_archives/1108/thumbnail.jp

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

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