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

AUTOMATIC LIVER SEGMENTATION FROM CT SCANS USING INTENSITY ANALYSIS AND LEVEL-SET ACTIVE CONTOURS

Liver segmentation from CT scans is still a challenging task due to the liver characteristics in terms of shape and intensity variability. In this work, we propose an automatic segmentation method of the liver from CT data sets. The framework consists of three main steps: liver shape model localization, liver intensity range estimation and localized active contouring. We proposed an adaptive multiple thresholding technique to estimate the range of the liver intensities. First, multiple thresholding is used to extract the dense tissue from the whole CT scan. A localization step is then used to find the approximate location of the liver in the CT scan, to localize a constructed mean liver shape model. A liver intensity-range estimation step is then applied within the localized shape model ROI. The localized shape model and the estimated liver intensity range are used to build the initial mask. A level set based active contour algorithm is used to deform the initial mask to the liver boundaries in the CT scan. The proposed method was evaluated on two public data sets: SLIVER07 and 3D-IRCAD. The experiments showed that the proposed method is able to segment to liver in all CT scans in the two data sets accurately

Optimización en GPU de algoritmos para la mejora del realce y segmentación en imágenes hepáticas

This doctoral thesis deepens the GPU acceleration for liver enhancement and segmentation. With this motivation, detailed research is carried out here in a compendium of articles. The work developed is structured in three scientific contributions, the first one is based upon enhancement and tumor segmentation, the second one explores the vessel segmentation and the last is published on liver segmentation. These works are implemented on GPU with significant speedups with great scientific impact and relevance in this doctoral thesis The first work proposes cross-modality based contrast enhancement for tumor segmentation on GPU. To do this, it takes target and guidance images as an input and enhance the low quality target image by applying two dimensional histogram approach. Further it has been observed that the enhanced image provides more accurate tumor segmentation using GPU based dynamic seeded region growing. The second contribution is about fast parallel gradient based seeded region growing where static approach has been proposed and implemented on GPU for accurate vessel segmentation. The third contribution describes GPU acceleration of Chan-Vese model and cross-modality based contrast enhancement for liver segmentation

Segmentation of neuroanatomy in magnetic resonance images

Segmentation in neurological Magnetic Resonance Imaging (MRI) is necessary for volume measurement, feature extraction and for the three-dimensional display of neuroanatomy. This thesis proposes several automated and semi-automated methods which offer considerable advantages over manual methods because of their lack of subjectivity, their data reduction capabilities, and the time savings they give. Work has concentrated on the use of dual echo multi-slice spin-echo data sets in order to take advantage of the intrinsically multi-parametric nature of MRI. Such data is widely acquired clinically and segmentation therefore does not require additional scans. The literature has been reviewed. Factors affecting image non-uniformity for a modem 1.5 Tesla imager have been investigated. These investigations demonstrate that a robust, fast, automatic three-dimensional non-uniformity correction may be applied to data as a pre-processing step. The merit of using an anisotropic smoothing method for noisy data has been demonstrated. Several approaches to neurological MRI segmentation have been developed. Edge-based processing is used to identify the skin (the major outer contour) and the eyes. Edge-focusing, two threshold based techniques and a fast radial CSF identification approach are proposed to identify the intracranial region contour in each slice of the data set. Once isolated, the intracranial region is further processed to identify CSF, and, depending upon the MRI pulse sequence used, the brain itself may be sub-divided into grey matter and white matter using semiautomatic contrast enhancement and clustering methods. The segmentation of Multiple Sclerosis (MS) plaques has also been considered. The utility of the stack, a data driven multi-resolution approach to segmentation, has been investigated, and several improvements to the method suggested. The factors affecting the intrinsic accuracy of neurological volume measurement in MRI have been studied and their magnitudes determined for spin-echo imaging. Geometric distortion - both object dependent and object independent - has been considered, as well as slice warp, slice profile, slice position and the partial volume effect. Finally, the accuracy of the approaches to segmentation developed in this thesis have been evaluated. Intracranial volume measurements are within 5% of expert observers' measurements, white matter volumes within 10%, and CSF volumes consistently lower than the expert observers' measurements due to the observers' inability to take the partial volume effect into account

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