Learning to Rank Atlases for Multiple-Atlas Segmentation

Recently, multiple-atlas segmentation (MAS) has achieved a great success in the medical imaging area. The key assumption is that multiple atlases have greater chances of correctly labeling a target image than a single atlas. However, the problem of atlas selection still remains unexplored. Traditionally, image similarity is used to select a set of atlases. Unfortunately, this heuristic criterion is not necessarily related to the final segmentation performance. To solve this seemingly simple but critical problem, we propose a learning-based atlas selection method to pick up the best atlases that would lead to a more accurate segmentation. Our main idea is to learn the relationship between the pairwise appearance of observed instances (i.e., a pair of atlas and target images) and their final labeling performance (e.g., using the Dice ratio). In this way, we select the best atlases based on their expected labeling accuracy. Our atlas selection method is general enough to be integrated with any existing MAS method. We show the advantages of our atlas selection method in an extensive experimental evaluation in the ADNI, SATA, IXI, and LONI LPBA40 datasets. As shown in the experiments, our method can boost the performance of three widely used MAS methods, outperforming other learning-based and image-similarity-based atlas selection methods

An atlas-based method to predict three-dimensional dose distributions for cancer patients who receive radiotherapy

Due to the complexity of advanced radiotherapy techniques, treatment planning process is usually time consuming and plan quality can vary considerably among planners and institutions. It is also impractical to generate all possible treatment plans based on available radiotherapy techniques and select the best option for a specific patient. Automatic dose prediction will be very helpful in these situations, while there were a few studies of three-dimensional (3D) dose prediction for patients who received radiotherapy. The purpose of this work was to develop a novel atlas-based method to predict 3D dose prediction and to evaluate its performance. Previously treated nineteen left-sided post-mastectomy breast cancer patients and sixteen prostate cancer patients were included in this study. One patient was arbitrarily chosen as the reference for each type of cancer and all the remaining patients\u27 computed tomography (CT) images and contours were aligned to it using deformable image registration (DIR). Deformable vector field (DVF) for each patient i (DVFi-ref) was used to deform the original 3D dose matrix of that patient. CT scan of a test patient was also registered with the same reference patient using DIR and both direct DVF (DVFtest-ref) and inverse DVF () were derived. Similarity of atlas patients to the test patient was determined based on the similarity of DVFtest-ref to atlas DVFs (DVFi-ref) and appropriate weighting factors were calculated. Patients\u27 doses in the atlas were deformed again using to transform them from the reference patient\u27s coordinates to the test patient\u27s coordinates and the final 3D dose distribution for the test patient was predicted by summing the weighted individual 3D dose distributions. Performance of our method was evaluated and the results revealed that the proposed method was able to predict the 3D dose distributions accurately. The mean dose difference between clinical and predicted 3D dose distributions were 0.9 ± 1.1 Gy and 1.9 ± 1.2 Gy for breast and prostate plans. The proposed dose prediction method can be used to improve planning quality and facilitate plan comparisons

A transversal approach for patch-based label fusion via matrix completion

Recently, multi-atlas patch-based label fusion has received an increasing interest in the medical image segmentation field. After warping the anatomical labels from the atlas images to the target image by registration, label fusion is the key step to determine the latent label for each target image point. Two popular types of patch-based label fusion approaches are (1) reconstruction-based approaches that compute the target labels as a weighted average of atlas labels, where the weights are derived by reconstructing the target image patch using the atlas image patches; and (2) classification-based approaches that determine the target label as a mapping of the target image patch, where the mapping function is often learned using the atlas image patches and their corresponding labels. Both approaches have their advantages and limitations. In this paper, we propose a novel patch-based label fusion method to combine the above two types of approaches via matrix completion (and hence, we call it transversal). As we will show, our method overcomes the individual limitations of both reconstruction-based and classification-based approaches. Since the labeling confidences may vary across the target image points, we further propose a sequential labeling framework that first labels the highly confident points and then gradually labels more challenging points in an iterative manner, guided by the label information determined in the previous iterations. We demonstrate the performance of our novel label fusion method in segmenting the hippocampus in the ADNI dataset, subcortical and limbic structures in the LONI dataset, and mid-brain structures in the SATA dataset. We achieve more accurate segmentation results than both reconstruction-based and classification-based approaches. Our label fusion method is also ranked 1st in the online SATA Multi-Atlas Segmentation Challenge

Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken

Learning to Rank Atlases for Multiple-Atlas Segmentation

Recently, multiple-atlas segmentation (MAS) has achieved a great success in the medical imaging area. The key assumption is that multiple atlases have greater chances of correctly labeling a target image than a single atlas. However, the problem of atlas selection still remains unexplored. Traditionally, image similarity is used to select a set of atlases. Unfortunately, this heuristic criterion is not necessarily related to the final segmentation performance. To solve this seemingly simple but critical problem, we propose a learning-based atlas selection method to pick up the best atlases that would lead to a more accurate segmentation. Our main idea is to learn the relationship between the pairwise appearance of observed instances (i.e., a pair of atlas and target images) and their final labeling performance (e.g., using the Dice ratio). In this way, we select the best atlases based on their expected labeling accuracy. Our atlas selection method is general enough to be integrated with any existing MAS method. We show the advantages of our atlas selection method in an extensive experimental evaluation in the ADNI, SATA, IXI, and LONI LPBA40 datasets. As shown in the experiments, our method can boost the performance of three widely used MAS methods, outperforming other learning-based and image-similarity-based atlas selection methods