Improving minimum rate predictors algorithm for compression of volumetric medical images

Medical imaging technologies are experiencing a growth in terms of usage and image resolution, namely in diagnostics systems that require a large set of images, like CT or MRI. Furthermore, legal restrictions impose that these scans must be archived for several years. These facts led to the increase of storage costs in medical image databases and institutions. Thus, a demand for more efficient compression tools, used for archiving and communication, is arising. Currently, the DICOM standard, that makes recommendations for medical communications and imaging compression, recommends lossless encoders such as JPEG, RLE, JPEG-LS and JPEG2000. However, none of these encoders include inter-slice prediction in their algorithms. This dissertation presents the research work on medical image compression, using the MRP encoder. MRP is one of the most efficient lossless image compression algorithm. Several processing techniques are proposed to adapt the input medical images to the encoder characteristics. Two of these techniques, namely changing the alignment of slices for compression and a pixel-wise difference predictor, increased the compression efficiency of MRP, by up to 27.9%. Inter-slice prediction support was also added to MRP, using uni and bi-directional techniques. Also, the pixel-wise difference predictor was added to the algorithm. Overall, the compression efficiency of MRP was improved by 46.1%. Thus, these techniques allow for compression ratio savings of 57.1%, compared to DICOM encoders, and 33.2%, compared to HEVC RExt Random Access. This makes MRP the most efficient of the encoders under study

Diagnostically lossless coding of X-ray angiography images based on background suppression

X-ray angiography images are widely used to identify irregularities in the vascular system. Because of their high spatial resolution and the large amount of images generated daily, coding of X-ray angiography images is becoming essential. This paper proposes a diagnostically lossless coding method based on automatic segmentation of the focal area using ray-casting and α-shapes. The diagnostically relevant Region of Interest is first identified by exploiting the inherent symmetrical features of the image. The background is then suppressed and the resulting images are encoded using lossless and progressive lossy-to-lossless methods, including JPEG-LS, JPEG2000, H.264 and HEVC. Experiments on a large set of X-ray angiography images suggest that our method correctly identifies the Region of Interest. When compared to the case of coding with no background suppression, the method achieves average bit-stream reductions of nearly 34% and improvements on the reconstruction quality of up to 20 dB-SNR for progressive decoding

Lossy-to-lossless 3D image coding through prior coefficient lookup tables

This paper describes a low-complexity, highefficiency, lossy-to-lossless 3D image coding system. The proposed system is based on a novel probability model for the symbols that are emitted by bitplane coding engines. This probability model uses partially reconstructed coefficients from previous components together with a mathematical framework that captures the statistical behavior of the image. An important aspect of this mathematical framework is its generality, which makes the proposed scheme suitable for different types of 3D images. The main advantages of the proposed scheme are competitive coding performance, low computational load, very low memory requirements, straightforward implementation, and simple adaptation to most sensors

Compression of 4D medical image and spatial segmentation using deformable models

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Enhancing a Neurosurgical Imaging System with a PC-based Video Processing Solution

This work presents a PC-based prototype video processing application developed to be used with a specific neurosurgical imaging device, the OPMI® PenteroTM operating microscope, in the Department of Neurosurgery of Helsinki University Central Hospital at Töölö, Helsinki. The motivation for implementing the software was the lack of some clinically important features in the imaging system provided by the microscope. The imaging system is used as an online diagnostic aid during surgery. The microscope has two internal video cameras; one for regular white light imaging and one for near-infrared fluorescence imaging, used for indocyanine green videoangiography. The footage of the microscope’s current imaging mode is accessed via the composite auxiliary output of the device. The microscope also has an external high resolution white light video camera, accessed via a composite output of a separate video hub. The PC was chosen as the video processing platform for its unparalleled combination of prototyping and high-throughput video processing capabilities. A thorough analysis of the platform and efficient video processing methods was conducted in the thesis and the results were used in the design of the imaging station. The features found feasible during the project were incorporated into a video processing application running on a GNU/Linux distribution Ubuntu. The clinical usefulness of the implemented features was ensured beforehand by consulting the neurosurgeons using the original system. The most significant shortcomings of the original imaging system were mended in this work. The key features of the developed application include: live streaming, simultaneous streaming and recording, and playing back of upto two video streams. The playback mode provides full media player controls, with a frame-by-frame precision rewinding, in an intuitive and responsive interface. A single view and a side-by-side comparison mode are provided for the streams. The former gives more detail, while the latter can be used, for example, for before-after and anatomic-angiographic comparisons.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Design and evaluation of echocardiograms codification and transmission for Teleradiology systems

Las enfermedades cardiovasculares son la mayor causa de muerte en el mundo. Aunque la mayoría de muertes por cardiopatías se puede evitar, si las medidas preventivas no son las adecuadas el paciente puede fallecer. Es por esto, que el seguimiento y diagnóstico de pacientes con cardiopatías es muy importante. Numerosos son las pruebas médicas para el diagnostico y seguimiento de enfermedades cardiovasculares, siendo los ecocardiogramas una de las técnicas más ampliamente utilizada. Un ecocardiograma consiste en la adquisición de imágenes del corazón mediante ultrasonidos. Presenta varias ventajas con respecto otras pruebas de imagen: no es invasiva, no produce radiación ionizante y es barata. Por otra parte, los sistemas de telemedicina han crecido rápidamente ya que ofrecen beneficios de acceso a los servicios médicos, una reducción del coste y una mejora de la calidad de los servicios. La telemedicina proporciona servicios médicos a distancia. Estos servicios son de especial ayuda en casos de emergencia médica y para áreas aisladas donde los hospitales y centros de salud están alejados. Los sistemas de tele-cardiología pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de pruebas. En esta Tesis nos hemos centrado en los sistemas de tele-ecocardiografia, ya que los ecocardiogramas son ampliamente usados y presentan el mayor reto al ser la prueba médica con mayor flujo de datos. Los mayores retos en los sistemas de tele-ecocardiografia son la compresión y la transmisión garantizando que el mismo diagnóstico es posible tanto en el ecocardiograma original como en el reproducido tras la compresión y transmisión. Los ecocardiogramas deben ser comprimidos tanto para su almacenamiento como para su transmisión ya que estos presentan un enorme flujo de datos que desbordaría el espacio de almacenamiento y no se podría transmitir eficientemente por las redes actuales. Sin embargo, la compresión produce pérdidas que pueden llevar a un diagnostico erróneo de los ecocardiogramas comprimidos. En el caso de que las pruebas ecocardiograficas quieran ser guardadas, una compresión clínica puede ser aplicada previa al almacenamiento. Esta compresión clínica consiste en guardar las partes del ecocardiograma que son importantes para el diagnóstico, es decir, ciertas imágenes y pequeños vídeos del corazón en movimiento que contienen de 1 a 3 ciclos cardiacos. Esta compresión clínica no puede ser aplicada en el caso de transmisión en tiempo real, ya que es el cardiólogo especialista quien debe realizar la compresión clínica y éste se encuentra en recepción, visualizando el echocardiograma transmitido. En cuanto a la transmisión, las redes sin cables presentan un mayor reto que las redes cableadas. Las redes sin cables tienen un ancho de banda limitado, son propensas a errores y son variantes en tiempo lo que puede resultar problemático cuando el ecocardiograma quiere ser transmitido en tiempo real. Además, las redes sin cables han experimentado un gran desarrollo gracias a que permiten un mejor acceso y movilidad, por lo que pueden ofrecer un mayor servicio que las redes cableadas. Dos tipos de sistemas se pueden distinguir acorde a los retos que presenta cada uno de ellos: los sistemas de almacenamiento y reenvió y los sistemas de tiempo real. Los sistemas de almacenamiento y reenvió consisten en la adquisición, almacenamiento y el posterior envió del ecocardiograma sin requerimientos temporales. Una compresión clínica puede ser llevada a cabo previa al almacenamiento. Además de la compresión clínica, una compresión con pérdidas es recomendada para reducir el espacio de almacenamiento y el tiempo de envío, pero sin perder l ainformación diagnóstica de la prueba. En cuanto a la transmisión, al no haber requerimientos temporales, la transmisión no presenta ninguna dificultad. Cualquier protocolo de transmisión fiable puede ser usado para no perder calidad en la imagen debido a la transmisión. Por lo tanto, para estos sistemas sólo nos hemos centrado en la codificación de los ecocardiogramas. Los sistemas de tiempo real consisten en la transmisión del ecocardiograma al mismo tiempo que éste es adquirido. Dado que el envío de video clínico es una de las aplicaciones con mayor demanda de ancho de banda, la compresión para la transmisión es requerida, pero manteniendo la calidad diagnóstica de la imagen. La transmisión en canales sin cables puede ser afectada por errores que distorsionan la calidad del ecocardiograma reconstruido en recepción. Por lo tanto, métodos de control de errores son requeridos para minimizar los errores de transmisión y el retardo introducido. Sin embargo, aunque el ecocardiograma sea visualizado con errores debido a la transmisión, esto no implica que el diagnóstico no sea posible. Dados los retos previamente descritos, las siguientes soluciones para la evaluación clínica, compresión y transmisión han sido propuestas: - Para garantizar que el ecocardiograma es visualizado sin perder información diagnóstica 2 tests han sido diseñados. El primer test define recomendaciones para la compresión de los ecocardiogramas. Consiste en dos fases para un ahorro en el tiempo de realización, pero sin perder por ello exactitud en el proceso de evaluación. Gracias a este test el ecocardiograma puede ser comprimido al máximo sin perder calidad diagnóstica y utilizando así más eficientemente los recursos. El segundo test define recomendaciones para la visualización del ecocardiograma. Este test define rangos de tiempo en los que el ecocardiograma puede ser visualizado con inferior calidad a la establecida en el primer test. Gracias a este test se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida de calidad diagnóstica cuando se introducen errores en la visualización, sin la necesidad de realizar una evaluación para cada video transmitido o diferentes condiciones de canal. Además, esta metodología puede ser aplicada para la evaluación de otras técnicas de diagnóstico por imagen. - Para la compresión de ecocardiogramas dos métodos de compresión han sido diseñados, uno para el almacenamiento y otro para la transmisión. Diferentes propuestas son diseñadas, ya que los ecocardiogramas para los dos propósitos tienen características diferentes. Para ambos propósitos un método de compresión en la que las facilidades que incorporan los dispositivos de segmentar la imagen y en la que las características de visualización de los ecocardiogramas han sido tenidas en cuenta ha sido diseñado. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de almacenarlo un formato de almacenamiento fácilmente integrable con DICOM basado en regiones y en el que el tipo de datos y la importancia clínica de cada región es tenido en cuenta ha sido diseñado. DICOM es el formato para el almacenamiento y transmisión de imágenes más ampliamente utilizado actualmente. El formato de compresión propuesto supone un ahorra de hasta el 75 % del espacio de almacenamiento con respecto a la compresión con JPEG 2000, actualmente soportado por DICOM, sin perder calidad diagnostica de la imagen. Los ratios de compresión para el formato propuesto dependen de la distribución de la imagen, pero para una base de datos de 105 ecocardiogramas correspondientes a 4 ecógrafos los ratios obtenidos están comprendidos entre 19 y 41. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de la transmisión en tiempo real un método de compresión basado en regiones en el que el tipo de dato y el modo de visualización han sido tenidos en cuenta se ha diseñado. Dos modos de visualización son distinguidos para la compresión de la región con mayor importancia clínica (ultrasonido), los modos de barrido y los modos 2-D. La evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de compresión fue llevada a cabo por 3 cardiologos, 9 ecocardiogramas correspondientes a diferentes pacientes y 3 diferentes ecógrafos. Los ratios de transmisión recomendados fueron de 200 kbps para los modos 2-D y de 40 kbps para los modos de barrido. Si se comparan estos resultados con previas soluciones en la literatura un ahorro mínimo de entre 5 % y el 78 % es obtenido dependiendo del modo. - Para la transmisión en tiempo real de ecocardiogramas un protocolo extremo a extremo basada en el método de compresión por regiones ha sido diseñado. Este protocolo llamado ETP de las siglas en inglés Echocardiogram Transmssion Protocol está diseñado para la compresión y transmisión de las regiones por separado, pudiendo así ofrecer diferentes ratios de compresión y protección de errores para las diferentes regiones de acuerdo a su importancia diagnostica. Por lo tanto, con ETP el ratio de transmisión mínimo recomendado para el método de compresión propuesto puede ser utilizado, usando así eficientemente el ancho de banda y siendo menos sensible a los errores introducidos por la red. ETP puede ser usado en cualquier red, sin embargo, en el caso de que la red introduzca errores se ha diseñado un método de corrección de errores llamado SECM, de las siglas en inglés State Error Control Method. SECM se adapta a las condiciones de canal usando más protección cuando las condiciones empeoran y usando así el ancho de banda eficientemente. Además, la evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de visualización ha sido llevada a cabo con la base de datos de la evaluación previa. De esta forma se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida diagnostica aunque se produzcan errores de transmisión. En esta tesis, por lo tanto, se ha ofrecido una solución para la transmisión en tiempo real y el almacenamiento de ecocardiogramas preservando la información diagnóstica y usando eficientemente los recursos (disco de almacenamiento y ratio de transmisión). Especial soporte se da para la transmisión en redes sin cables, dando soluciones a las limitaciones que estas introducen. Además, las soluciones propuestas han sido probadas y comparadas con otras técnicas con una red de acceso móvil WiMAX, demostrando que el ancho de banda es eficientemente utilizado y que el ecocardiograma es correctamente visualizado de acuerdo con las recomendaciones de visualización dadas por la evaluación clínica

Recent Advances in Signal Processing

The signal processing task is a very critical issue in the majority of new technological inventions and challenges in a variety of applications in both science and engineering fields. Classical signal processing techniques have largely worked with mathematical models that are linear, local, stationary, and Gaussian. They have always favored closed-form tractability over real-world accuracy. These constraints were imposed by the lack of powerful computing tools. During the last few decades, signal processing theories, developments, and applications have matured rapidly and now include tools from many areas of mathematics, computer science, physics, and engineering. This book is targeted primarily toward both students and researchers who want to be exposed to a wide variety of signal processing techniques and algorithms. It includes 27 chapters that can be categorized into five different areas depending on the application at hand. These five categories are ordered to address image processing, speech processing, communication systems, time-series analysis, and educational packages respectively. The book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity

Telemedicine

Telemedicine is a rapidly evolving field as new technologies are implemented for example for the development of wireless sensors, quality data transmission. Using the Internet applications such as counseling, clinical consultation support and home care monitoring and management are more and more realized, which improves access to high level medical care in underserved areas. The 23 chapters of this book present manifold examples of telemedicine treating both theoretical and practical foundations and application scenarios

COMPUTATIONAL ULTRASOUND ELASTOGRAPHY: A FEASIBILITY STUDY

Ultrasound Elastography (UE) is an emerging set of imaging modalities used to assess the biomechanical properties of soft tissues. UE has been applied to numerous clinical applications. Particularly, results from clinical trials of UE in breast lesion differentiation and staging liver fibrosis indicated that there was a lack of confidence in UE measurements or image interpretation. Confidence on UE measurements interpretation is critically important for improving the clinical utility of UE. The primary objective of my thesis is to develop a computational simulation platform based on open-source software packages including Field II, VTK, FEBio and Tetgen. The proposed virtual simulation platform can be used to simulate SE and acoustic radiation force based SWE simulations, including pSWE, SSI and ARFI. To demonstrate its usefulness, in this thesis, examples for breast cancer detections were provided. The simulated results can reproduce what has been reported in the literature. To statistically analyze the intrinsic variations of shear wave speed (SWS) in the fibrotic liver tissues, a probability density function (PDF) of the SWS distribution in conjunction with a lossless stochastic tissue model was derived using the principle of Maximum Entropy (ME). The performance of the proposed PDF was evaluated using Monte-Carlo (MC) simulated shear wave data and against three other commonly used PDFs. We theoretically demonstrated that SWS measurements follow a non-Gaussian distribution for the first time. One advantage of the proposed PDF is its physically meaningful parameters. Also, we conducted a case study of the relationship between shear wave measurements and the microstructure of fibrotic liver tissues. Three different virtual tissue models were used to represent underlying microstructures of fibrotic liver tissues. Furthermore, another innovation of this thesis is the inclusion of “biologically-relevant” fibrotic liver tissue models for simulation of shear wave elastography. To link tissue structure, composition and architecture to the ultrasound measurements directly, a “biologically relevant” tissue model was established using Systems Biology. Our initial results demonstrated that the simulated virtual liver tissues qualitatively could reproduce histological results and wave speed measurements. In conclusions, these computational tools and theoretical analysis can improve the confidence on UE image/measurements interpretation

New technology in radiological diagnosis: An investigation of diagnostic image quality in digital displays of radiographs

Digital radiology is undergoing rapid evolution. Its objectives can be summarized as the creation within the modern radiology department - and indeed within the entire hospital - of a harmonious, integrated, electronic network capable of handling all diagnostic radiological images, obviating the need for conventional film-based radiology. One of the limiting factors in the introduction and exploitation of digital technology is the issue of image display quality: if electronic display systems are to be widely used for primary radiological diagnosis, it is essential that the diagnostic quality of the displayed images should not be compromised. From the perspective of the practising radiologist, this study examines the performance of the first two commercially available digital radiological display systems to be purchased and installed in a British hospital. This work incorporates an extensive observer performance investigation of image quality from existing 1024- and 1280-line display systems, and suggests that displayed images digitized at a pixel size of 210?m show a significant reduction in diagnostic performance when compared with original film. Such systems appear to be unsuitable for primary radiological diagnosis of subtle lesions. Some of the physical properties of such systems, some relevant methodological issues, and the relationship between image quality and other factors influencing the development acceptance and implementation of digital technology, have also been investigated; the results are presented. This is a controversial subject, and conflicting views have been expressed in the British literature concerning the issue of whether or not the technology is now ready for total system implementation; the view of this author is that careful testing of display systems, and of every other component of digital networks, should precede their entry into clinical use