An active contour approach for segmentation of intra-retinal layers in optical coherence tomography images

Optical Coherence Tomography (OCT) is a non-invasive, depth-resolved imaging modality that has become a prominent ophthalmic diagnostic technique. We present a novel segmentation algorithm based on Chan-Vese\u27s energy-minimizing active contours to detect intra-retinal layers in OCT images. A multi-phase framework with a circular shape prior is adopted to model the boundaries of retinal layers and estimate shape parameters using least squares. We use a contextual scheme to balance the weight of different terms in the energy functional. The results from various synthetic experiments and segmentation results on rat OCT images are presented, demonstrating the strength of our method to detect the desired layers with sufficient accuracy even in the presence of intensity inhomogeneity. Our algorithm achieved an average Dice similarity coefficient of 0.84 over all segmented layers, and of 0.94 for the combined nerve fiber layer, ganglion cell layer, and inner plexiform layer, which are critical layers for glaucomatous degeneration

Inferring Geodesic Cerebrovascular Graphs: Image Processing, Topological Alignment and Biomarkers Extraction

A vectorial representation of the vascular network that embodies quantitative features - location, direction, scale, and bifurcations - has many potential neuro-vascular applications. Patient-specific models support computer-assisted surgical procedures in neurovascular interventions, while analyses on multiple subjects are essential for group-level studies on which clinical prediction and therapeutic inference ultimately depend. This first motivated the development of a variety of methods to segment the cerebrovascular system. Nonetheless, a number of limitations, ranging from data-driven inhomogeneities, the anatomical intra- and inter-subject variability, the lack of exhaustive ground-truth, the need for operator-dependent processing pipelines, and the highly non-linear vascular domain, still make the automatic inference of the cerebrovascular topology an open problem. In this thesis, brain vessels’ topology is inferred by focusing on their connectedness. With a novel framework, the brain vasculature is recovered from 3D angiographies by solving a connectivity-optimised anisotropic level-set over a voxel-wise tensor field representing the orientation of the underlying vasculature. Assuming vessels joining by minimal paths, a connectivity paradigm is formulated to automatically determine the vascular topology as an over-connected geodesic graph. Ultimately, deep-brain vascular structures are extracted with geodesic minimum spanning trees. The inferred topologies are then aligned with similar ones for labelling and propagating information over a non-linear vectorial domain, where the branching pattern of a set of vessels transcends a subject-specific quantized grid. Using a multi-source embedding of a vascular graph, the pairwise registration of topologies is performed with the state-of-the-art graph matching techniques employed in computer vision. Functional biomarkers are determined over the neurovascular graphs with two complementary approaches. Efficient approximations of blood flow and pressure drop account for autoregulation and compensation mechanisms in the whole network in presence of perturbations, using lumped-parameters analog-equivalents from clinical angiographies. Also, a localised NURBS-based parametrisation of bifurcations is introduced to model fluid-solid interactions by means of hemodynamic simulations using an isogeometric analysis framework, where both geometry and solution profile at the interface share the same homogeneous domain. Experimental results on synthetic and clinical angiographies validated the proposed formulations. Perspectives and future works are discussed for the group-wise alignment of cerebrovascular topologies over a population, towards defining cerebrovascular atlases, and for further topological optimisation strategies and risk prediction models for therapeutic inference. Most of the algorithms presented in this work are available as part of the open-source package VTrails

Computational Methods for Image Acquisition and Analysis with Applications in Optical Coherence Tomography

The computational approach to image acquisition and analysis plays an important role in medical imaging and optical coherence tomography (OCT). This thesis is dedicated to the development and evaluation of algorithmic solutions for better image acquisition and analysis with a focus on OCT retinal imaging. For image acquisition, we first developed, implemented, and systematically evaluated a compressive sensing approach for image/signal acquisition for single-pixel camera architectures and an OCT system. Our evaluation outcome provides a detailed insight into implementing compressive data acquisition of those imaging systems. We further proposed a convolutional neural network model, LSHR-Net, as the first deep-learning imaging solution for the single-pixel camera. This method can achieve better accuracy, hardware-efficient image acquisition and reconstruction than the conventional compressive sensing algorithm. Three image analysis methods were proposed to achieve retinal OCT image analysis with high accuracy and robustness. We first proposed a framework for healthy retinal layer segmentation. Our framework consists of several image processing algorithms specifically aimed at segmenting a total of 12 thin retinal cell layers, outperforming other segmentation methods. Furthermore, we proposed two deep-learning-based models to segment retinal oedema lesions in OCT images, with particular attention on processing small-scale datasets. The first model leverages transfer learning to implement oedema segmentation and achieves better accuracy than comparable methods. Based on the meta-learning concept, a second model was designed to be a solution for general medical image segmentation. The results of this work indicate that our model can be applied to retinal OCT images and other small-scale medical image data, such as skin cancer, demonstrated in this thesis

Deep learning-based improvement for the outcomes of glaucoma clinical trials

Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. It is a progressive optic neuropathy in which retinal ganglion cell (RGC) axon loss, probably as a consequence of damage at the optic disc, causes a loss of vision, predominantly affecting the mid-peripheral visual field (VF). Glaucoma results in a decrease in vision-related quality of life and, therefore, early detection and evaluation of disease progression rates is crucial in order to assess the risk of functional impairment and to establish sound treatment strategies. The aim of my research is to improve glaucoma diagnosis by enhancing state of the art analyses of glaucoma clinical trial outcomes using advanced analytical methods. This knowledge would also help better design and analyse clinical trials, providing evidence for re-evaluating existing medications, facilitating diagnosis and suggesting novel disease management. To facilitate my objective methodology, this thesis provides the following contributions: (i) I developed deep learning-based super-resolution (SR) techniques for optical coherence tomography (OCT) image enhancement and demonstrated that using super-resolved images improves the statistical power of clinical trials, (ii) I developed a deep learning algorithm for segmentation of retinal OCT images, showing that the methodology consistently produces more accurate segmentations than state-of-the-art networks, (iii) I developed a deep learning framework for refining the relationship between structural and functional measurements and demonstrated that the mapping is significantly improved over previous techniques, iv) I developed a probabilistic method and demonstrated that glaucomatous disc haemorrhages are influenced by a possible systemic factor that makes both eyes bleed simultaneously. v) I recalculated VF slopes, using the retinal never fiber layer thickness (RNFLT) from the super-resolved OCT as a Bayesian prior and demonstrated that use of VF rates with the Bayesian prior as the outcome measure leads to a reduction in the sample size required to distinguish treatment arms in a clinical trial

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial