Universal in vivo Textural Model for Human Skin based on Optical Coherence Tomograms

Currently, diagnosis of skin diseases is based primarily on visual pattern recognition skills and expertise of the physician observing the lesion. Even though dermatologists are trained to recognize patterns of morphology, it is still a subjective visual assessment. Tools for automated pattern recognition can provide objective information to support clinical decision-making. Noninvasive skin imaging techniques provide complementary information to the clinician. In recent years, optical coherence tomography has become a powerful skin imaging technique. According to specific functional needs, skin architecture varies across different parts of the body, as do the textural characteristics in OCT images. There is, therefore, a critical need to systematically analyze OCT images from different body sites, to identify their significant qualitative and quantitative differences. Sixty-three optical and textural features extracted from OCT images of healthy and diseased skin are analyzed and in conjunction with decision-theoretic approaches used to create computational models of the diseases. We demonstrate that these models provide objective information to the clinician to assist in the diagnosis of abnormalities of cutaneous microstructure, and hence, aid in the determination of treatment. Specifically, we demonstrate the performance of this methodology on differentiating basal cell carcinoma (BCC) and squamous cell carcinoma (SCC) from healthy tissue

Improved graph cut model with features of superpixels and neighborhood patches for myocardium segmentation from ultrasound image

Ultrasound (US) imaging has the technical advantages for the functional evaluation of myocardium compared with other imaging modalities. However, it is a challenge of extracting the myocardial tissues from the background due to low quality of US imaging. To better extract the myocardial tissues, this study proposes a semi-supervised segmentation method of fast Superpixels and Neighborhood Patches based Continuous Min-Cut (fSP-CMC). The US image is represented by a graph, which is constructed depending on the features of superpixels and neighborhood patches

Active Mean Fields for Probabilistic Image Segmentation: Connections with Chan-Vese and Rudin-Osher-Fatemi Models

Segmentation is a fundamental task for extracting semantically meaningful regions from an image. The goal of segmentation algorithms is to accurately assign object labels to each image location. However, image-noise, shortcomings of algorithms, and image ambiguities cause uncertainty in label assignment. Estimating the uncertainty in label assignment is important in multiple application domains, such as segmenting tumors from medical images for radiation treatment planning. One way to estimate these uncertainties is through the computation of posteriors of Bayesian models, which is computationally prohibitive for many practical applications. On the other hand, most computationally efficient methods fail to estimate label uncertainty. We therefore propose in this paper the Active Mean Fields (AMF) approach, a technique based on Bayesian modeling that uses a mean-field approximation to efficiently compute a segmentation and its corresponding uncertainty. Based on a variational formulation, the resulting convex model combines any label-likelihood measure with a prior on the length of the segmentation boundary. A specific implementation of that model is the Chan-Vese segmentation model (CV), in which the binary segmentation task is defined by a Gaussian likelihood and a prior regularizing the length of the segmentation boundary. Furthermore, the Euler-Lagrange equations derived from the AMF model are equivalent to those of the popular Rudin-Osher-Fatemi (ROF) model for image denoising. Solutions to the AMF model can thus be implemented by directly utilizing highly-efficient ROF solvers on log-likelihood ratio fields. We qualitatively assess the approach on synthetic data as well as on real natural and medical images. For a quantitative evaluation, we apply our approach to the icgbench dataset

Recent trends, technical concepts and components of computer-assisted orthopedic surgery systems: A comprehensive review

Computer-assisted orthopedic surgery (CAOS) systems have become one of the most important and challenging types of system in clinical orthopedics, as they enable precise treatment of musculoskeletal diseases, employing modern clinical navigation systems and surgical tools. This paper brings a comprehensive review of recent trends and possibilities of CAOS systems. There are three types of the surgical planning systems, including: systems based on the volumetric images (computer tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI) or ultrasound images), further systems utilize either 2D or 3D fluoroscopic images, and the last one utilizes the kinetic information about the joints and morphological information about the target bones. This complex review is focused on three fundamental aspects of CAOS systems: their essential components, types of CAOS systems, and mechanical tools used in CAOS systems. In this review, we also outline the possibilities for using ultrasound computer-assisted orthopedic surgery (UCAOS) systems as an alternative to conventionally used CAOS systems.Web of Science1923art. no. 519

Computerized Analysis of Magnetic Resonance Images to Study Cerebral Anatomy in Developing Neonates

The study of cerebral anatomy in developing neonates is of great importance for the understanding of brain development during the early period of life. This dissertation therefore focuses on three challenges in the modelling of cerebral anatomy in neonates during brain development. The methods that have been developed all use Magnetic Resonance Images (MRI) as source data. To facilitate study of vascular development in the neonatal period, a set of image analysis algorithms are developed to automatically extract and model cerebral vessel trees. The whole process consists of cerebral vessel tracking from automatically placed seed points, vessel tree generation, and vasculature registration and matching. These algorithms have been tested on clinical Time-of- Flight (TOF) MR angiographic datasets. To facilitate study of the neonatal cortex a complete cerebral cortex segmentation and reconstruction pipeline has been developed. Segmentation of the neonatal cortex is not effectively done by existing algorithms designed for the adult brain because the contrast between grey and white matter is reversed. This causes pixels containing tissue mixtures to be incorrectly labelled by conventional methods. The neonatal cortical segmentation method that has been developed is based on a novel expectation-maximization (EM) method with explicit correction for mislabelled partial volume voxels. Based on the resulting cortical segmentation, an implicit surface evolution technique is adopted for the reconstruction of the cortex in neonates. The performance of the method is investigated by performing a detailed landmark study. To facilitate study of cortical development, a cortical surface registration algorithm for aligning the cortical surface is developed. The method first inflates extracted cortical surfaces and then performs a non-rigid surface registration using free-form deformations (FFDs) to remove residual alignment. Validation experiments using data labelled by an expert observer demonstrate that the method can capture local changes and follow the growth of specific sulcus

Breast Cancer : automatic detection and risk analysis through machine learning algorithms, using mammograms

Tese de Mestrado Integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasCom 2.3 milhões de casos diagnosticados em todo o Mundo, durante o ano de 2020, o cancro da mama tornou-se aquele com maior incidência, nesse mesmo ano, considerando ambos os sexos. Anualmente, em Portugal, são diagnosticados aproximadamente sete mil (7000) novos casos de cancro da mama, com mil oitocentas (1800) mulheres a morrerem, todos os anos, devido a esta doença - indicando uma taxa de mortalidade de aproximadamente 5 mulheres por dia. A maior parte dos diagnósticos de cancro da mama ocorrem ao nível de programas de rastreio, que utilizam mamografia. Esta técnica de imagem apresenta alguns problemas: o facto de ser uma imagem a duas dimensões leva a que haja sobreposição de tecidos, o que pode mascarar a presença de tumores; e a fraca sensibilidade a mamas mais densas, sendo estas caraterísticas de mulheres com risco de cancro da mama mais elevado. Como estes dois problemas dificultam a leitura das mamografias, grande parte deste trabalhou focou-se na verificação do desempenho de métodos computacionais na tarefa de classificar mamografias em duas classes: cancro e não-cancro. No que diz respeito à classe “não cancro” (N = 159), esta foi constituída por mamografias saudáveis (N=84), e por mamografias que continham lesões benignas (N=75). Já a classe “cancro” continha apenas mamografias com lesões malignas (N = 73). A discriminação entre estas duas classes foi feita com recurso a algoritmos de aprendizagem automática. Múltiplos classificadores foram otimizados e treinados (Ntreino=162, Nteste = 70), recorrendo a um conjunto de características previamente selecionado, que descreve a textura de toda a mamografia, em vez de apenas uma única Região de Interesse. Estas características de textura baseiam-se na procura de padrões: sequências de pixéis com a mesma intensidade, ou pares específicos de pixéis. O classificador que apresentou uma performance mais elevada foi um dos Support Vector Machine (SVM) treinados – AUC= 0.875, o que indica um desempenho entre o bom e o excelente. A Percent Mammographic Density (%PD) é um importante fator de risco no que diz respeito ao desenvolvimento da doença, pelo que foi estudado se a sua adição ao set de features selecionado resultaria numa melhor performance dos classificadores. O classificador, treinado e otimizado utilizando as features de textura e os cálculos de %PD, com maior capacidade discriminativa foi um Linear Discriminant Analysis (LDA) – AUC = 0.875. Uma vez que a performance é igual à obtida com o classificador que utiliza apenas features de textura, conclui-se que a %PD parece não contribuir com informação relevante. Tal pode ocorrer porque as próprias características de textura já têm informação sobre a densidade da mama. De forma a estudar-se de que modo o desempenho destes métodos computacionais pode ser afetado por piores condições de aquisição de imagem, foi simulado ruído gaussiano, e adicionado ao set de imagens utilizado para testagem. Este ruído, adicionado a cada imagem com quatro magnitudes diferentes, resultou numa AUC de 0.765 para o valor mais baixo de ruído, e numa AUC de 0.5 para o valor de ruído mais elevado. Tais resultados indicam que, para níveis de ruído mais baixo, o classificador consegue, ainda assim, manter uma performance satisfatória – o que deixa de se verificar para valores mais elevados de ruído. Estudou-se, também, se a aplicação de técnicas de filtragem – com um filtro mediana – poderia ajudar a recuperar informação perdida aquando da adição de ruído. A aplicação do filtro a todas as imagens ruidosas resultou numa AUC de 0.754 para o valor mais elevado de ruído, atingindo assim um desempenho similar ao set de imagens menos ruidosas, antes do processo de filtragem (AUC=0.765). Este resultados parecem indicar que, na presença de más condições de aquisição, a aplicação de um filtro mediana pode ajudar a recuperar informação, conduzindo assim a um melhor desempenho dos métodos computacionais. No entanto, esta mesma conclusão parece não se verificar para valores de ruído mais baixo onde a AUC após filtragem acaba por ser mais reduzida. Tal resultado poderá indicar que, em situações onde o nível de ruído é mais baixo, a técnica de filtragem não só remove o ruído, como acaba também por, ela própria, remover informação ao nível da textura da imagem. De modo a verificar se mamas com diferentes densidades afetavam a performance do classificador, foram criados três sets de teste diferentes, cada um deles contendo imagens de mamas com a mesma densidade (1, 2, e 3). Os resultados obtidos indicam-nos que um aumento na densidade das mamas analisadas não resulta, necessariamente, numa diminuição da capacidade em discriminar as classes definidas (AUC = 0.864, AUC = 0.927, AUC= 0.905; para as classes 1, 2, e 3 respetivamente). A utilização da imagem integral para analisar de textura, e a utilização de imagens de datasets diferentes (com dimensões de imagem diferentes), poderiam introduzir um viés na classificação, especialmente no que diz respeito às diferentes áreas da mama. Para verificar isso mesmo, utilizando o coeficiente de correlação de Pearson, ρ = 0.3, verificou-se que a área da mama (e a percentagem de ocupação) tem uma fraca correlação com a classificação dada a cada imagem. A construção do classificador, para além de servir de base a todos os testes apresentados, serviu também o propósito de criar uma interface interativa, passível de ser utilizada como ficheiro executável, sem necessidade de instalação de nenhum software. Esta aplicação permite que o utilizador carregue imagens de mamografia, exclua background desnecessário para a análise da imagem, extraia features, teste o classificador construído e dê como output, no ecrã, a classe correspondente à imagem carregada. A análise de risco de desenvolvimento da doença foi conseguida através da análise visual da variação dos valores das features de textura ao longo dos anos para um pequeno set (N=11) de mulheres. Esta mesma análise permitiu descortinar aquilo que parece ser uma tendência apresentada apenas por mulheres doentes, na mamografia imediatamente anterior ao diagnóstico da doença. Todos os resultados obtidos são descritos profundamente ao longo deste documento, onde se faz, também, uma referência pormenorizada a todos os métodos utilizados para os obter. O resultado da classificação feita apenas com as features de textura encontra-se dentro dos valores referenciados no estado-da-arte, indicando que o uso de features de textura, por si só, demonstrou ser profícuo. Para além disso, tal resultado serve também de indicação que o recurso a toda a imagem de mamografia, sem o trabalho árduo de definição de uma Região de Interesse, poderá ser utilizado com relativa segurança. Os resultados provenientes da análise do efeito da densidade e da área da mama, dão também confiança no uso do classificador. A interface interativa que resultou desta primeira fase de trabalho tem, potencialmente, um diferenciado conjunto de aplicações: no campo médico, poderá servir de auxiliar de diagnóstico ao médico; já no campo da análise computacional, poderá servir para a definição da ground truth de potenciais datasets que não tenham legendas definidas. No que diz respeito à análise de risco, a utilização de um dataset de dimensões reduzidas permitiu, ainda assim, compreender que existem tendências nas variações das features ao longo dos anos, que são especificas de mulheres que desenvolveram a doença. Os resultados obtidos servem, então, de indicação que a continuação desta linha de trabalho, procurando avaliar/predizer o risco, deverá ser seguida, com recurso não só a datasets mais completos, como também a métodos computacionais de aprendizagem automática.Two million and three hundred thousand Breast Cancer (BC) cases were diagnosed in 2020, making it the type of cancer with the highest incidence that year, considering both sexes. Breast Cancer diagnosis usually occurs during screening programs using mammography, which has some downsides: the masking effect due to its 2-D nature, and its poor sensitivity concerning dense breasts. Since these issues result in difficulties reading mammograms, the main part of this work aimed to verify how a computer vision method would perform in classifying mammograms into two classes: cancer and non-cancer. The ‘non-cancer group’ (N=159) was composed by images with healthy tissue (N=84) and images with benign lesions (N=75), while the cancer group (N=73) contained malignant lesions. To achieve this, multiple classifiers were optimized and trained (Ntrain = 162, Ntest = 70) with a previously selected ideal sub-set of features that describe the texture of the entire image, instead of just one small Region of Interest (ROI). The classifier with the best performance was Support Vector Machine (SVM), (AUC = 0.875), which indicates a good-to-excellent capability discriminating the two defined groups. To assess if Percent Mammographic Density (%PD), an important risk factor, added important information, a new classifier was optimized and trained using the selected sub-set of texture features plus the %PD calculation. The classifier with the best performance was a Linear Discriminant Analysis (LDA), (AUC=0.875), which seems to indicate, once it achieves the same performance as the classifier using only texture features, that there is no relevant information added from %PD calculations. This happens because texture already includes information on breast density. To understand how the classifier would perform in worst image acquisition conditions, gaussian noise was added to the test images (N=70), with four different magnitudes (AUC= 0.765 for the lowest noise value vs. AUC ≈ 0.5 for the highest). A median filter was applied to the noised images towards evaluating if information could be recovered. For the highest noise value, after filtering, the AUC was very close to the one obtained for the lowest noise value before filtering (0.754 vs 0.765), which indicates information recovery. The effect of density in classifier performance was evaluated by constructing three different test sets, each containing images from a density class (1,2,3). It was seen that an increase in density did not necessarily resulted in a decrease in performance, which indicates that the classifier is robust to density variation (AUC = 0.864, AUC= 0.927, AUC= 0.905 ; for class 1, 2, and 3 respectively). Since the entire image is being analyzed, and images come from different datasets, it was verified if breast area was adding bias to classification. Pearson correlation coefficient provided an output of ρ = 0.22, showing that there is a weak correlation between these two variables. Finally, breast cancer risk was assessed by visual texture feature analysis through the years, for a small set of women (N=11). This visual analysis allowed to unveil what seems to be a pattern amongst women who developed the disease, in the mammogram immediately before diagnosis. The details of each phase, as well as the associated final results are deeply described throughout this document. The work done in the first classification task resulted in a state-of-the-art performance, which may serve as foundation for new research in the area, without the laborious work of ROI definition. Besides that, the use of texture features alone proved to be fruitful. Results concerning risk may serve as basis for future work in the area, with larger datasets and the incorporation of Computer Vision methods