A Survey on Deep Learning in Medical Image Analysis

Deep learning algorithms, in particular convolutional networks, have rapidly become a methodology of choice for analyzing medical images. This paper reviews the major deep learning concepts pertinent to medical image analysis and summarizes over 300 contributions to the field, most of which appeared in the last year. We survey the use of deep learning for image classification, object detection, segmentation, registration, and other tasks and provide concise overviews of studies per application area. Open challenges and directions for future research are discussed.Comment: Revised survey includes expanded discussion section and reworked introductory section on common deep architectures. Added missed papers from before Feb 1st 201

Deep Learning Techniques for Automated Analysis and Processing of High Resolution Medical Imaging

Programa Oficial de Doutoramento en Computación . 5009V01[Abstract] Medical imaging plays a prominent role in modern clinical practice for numerous medical specialties. For instance, in ophthalmology, different imaging techniques are commonly used to visualize and study the eye fundus. In this context, automated image analysis methods are key towards facilitating the early diagnosis and adequate treatment of several diseases. Nowadays, deep learning algorithms have already demonstrated a remarkable performance for different image analysis tasks. However, these approaches typically require large amounts of annotated data for the training of deep neural networks. This complicates the adoption of deep learning approaches, especially in areas where large scale annotated datasets are harder to obtain, such as in medical imaging. This thesis aims to explore novel approaches for the automated analysis of medical images, particularly in ophthalmology. In this regard, the main focus is on the development of novel deep learning-based approaches that do not require large amounts of annotated training data and can be applied to high resolution images. For that purpose, we have presented a novel paradigm that allows to take advantage of unlabeled complementary image modalities for the training of deep neural networks. Additionally, we have also developed novel approaches for the detailed analysis of eye fundus images. In that regard, this thesis explores the analysis of relevant retinal structures as well as the diagnosis of different retinal diseases. In general, the developed algorithms provide satisfactory results for the analysis of the eye fundus, even when limited annotated training data is available.[Resumen] Las técnicas de imagen tienen un papel destacado en la práctica clínica moderna de numerosas especialidades médicas. Por ejemplo, en oftalmología es común el uso de diferentes técnicas de imagen para visualizar y estudiar el fondo de ojo. En este contexto, los métodos automáticos de análisis de imagen son clave para facilitar el diagnóstico precoz y el tratamiento adecuado de diversas enfermedades. En la actualidad, los algoritmos de aprendizaje profundo ya han demostrado un notable rendimiento en diferentes tareas de análisis de imagen. Sin embargo, estos métodos suelen necesitar grandes cantidades de datos etiquetados para el entrenamiento de las redes neuronales profundas. Esto complica la adopción de los métodos de aprendizaje profundo, especialmente en áreas donde los conjuntos masivos de datos etiquetados son más difíciles de obtener, como es el caso de la imagen médica. Esta tesis tiene como objetivo explorar nuevos métodos para el análisis automático de imagen médica, concretamente en oftalmología. En este sentido, el foco principal es el desarrollo de nuevos métodos basados en aprendizaje profundo que no requieran grandes cantidades de datos etiquetados para el entrenamiento y puedan aplicarse a imágenes de alta resolución. Para ello, hemos presentado un nuevo paradigma que permite aprovechar modalidades de imagen complementarias no etiquetadas para el entrenamiento de redes neuronales profundas. Además, también hemos desarrollado nuevos métodos para el análisis en detalle de las imágenes del fondo de ojo. En este sentido, esta tesis explora el análisis de estructuras retinianas relevantes, así como el diagnóstico de diferentes enfermedades de la retina. En general, los algoritmos desarrollados proporcionan resultados satisfactorios para el análisis de las imágenes de fondo de ojo, incluso cuando la disponibilidad de datos de entrenamiento etiquetados es limitada.[Resumo] As técnicas de imaxe teñen un papel destacado na práctica clínica moderna de numerosas especialidades médicas. Por exemplo, en oftalmoloxía é común o uso de diferentes técnicas de imaxe para visualizar e estudar o fondo de ollo. Neste contexto, os métodos automáticos de análises de imaxe son clave para facilitar o diagn ostico precoz e o tratamento adecuado de diversas enfermidades. Na actualidade, os algoritmos de aprendizaxe profunda xa demostraron un notable rendemento en diferentes tarefas de análises de imaxe. Con todo, estes métodos adoitan necesitar grandes cantidades de datos etiquetos para o adestramento das redes neuronais profundas. Isto complica a adopción dos métodos de aprendizaxe profunda, especialmente en áreas onde os conxuntos masivos de datos etiquetados son máis difíciles de obter, como é o caso da imaxe médica. Esta tese ten como obxectivo explorar novos métodos para a análise automática de imaxe médica, concretamente en oftalmoloxía. Neste sentido, o foco principal é o desenvolvemento de novos métodos baseados en aprendizaxe profunda que non requiran grandes cantidades de datos etiquetados para o adestramento e poidan aplicarse a imaxes de alta resolución. Para iso, presentamos un novo paradigma que permite aproveitar modalidades de imaxe complementarias non etiquetadas para o adestramento de redes neuronais profundas. Ademais, tamén desenvolvemos novos métodos para a análise en detalle das imaxes do fondo de ollo. Neste sentido, esta tese explora a análise de estruturas retinianas relevantes, así como o diagnóstico de diferentes enfermidades da retina. En xeral, os algoritmos desenvolvidos proporcionan resultados satisfactorios para a análise das imaxes de fondo de ollo, mesmo cando a dispoñibilidade de datos de adestramento etiquetados é limitada

Automatic analysis of retinal images to aid in the diagnosis and grading of diabetic retinopathy

Diabetic retinopathy (DR) is the most common complication of diabetes mellitus and one of the leading causes of preventable blindness in the adult working population. Visual loss can be prevented from the early stages of DR, when the treatments are effective. Therefore, early diagnosis is paramount. However, DR may be clinically asymptomatic until the advanced stage, when vision is already affected and treatment may become difficult. For this reason, diabetic patients should undergo regular eye examinations through screening programs. Traditionally, DR screening programs are run by trained specialists through visual inspection of the retinal images. However, this manual analysis is time consuming and expensive. With the increasing incidence of diabetes and the limited number of clinicians and sanitary resources, the early detection of DR becomes non-viable. For this reason, computed-aided diagnosis (CAD) systems are required to assist specialists for a fast, reliable diagnosis, allowing to reduce the workload and the associated costs. We hypothesize that the application of novel, automatic algorithms for fundus image analysis could contribute to the early diagnosis of DR. Consequently, the main objective of the present Doctoral Thesis is to study, design and develop novel methods based on the automatic analysis of fundus images to aid in the screening, diagnosis, and treatment of DR. In order to achieve the main goal, we built a private database and used five retinal public databases: DRIMDB, DIARETDB1, DRIVE, Messidor and Kaggle. The stages of fundus image processing covered in this Thesis are: retinal image quality assessment (RIQA), the location of the optic disc (OD) and the fovea, the segmentation of RLs and EXs, and the DR severity grading. RIQA was studied with two different approaches. The first approach was based on the combination of novel, global features. Results achieved 91.46% accuracy, 92.04% sensitivity, and 87.92% specificity using the private database. We developed a second approach aimed at RIQA based on deep learning. We achieved 95.29% accuracy with the private database and 99.48% accuracy with the DRIMDB database. The location of the OD and the fovea was performed using a combination of saliency maps. The proposed methods were evaluated over the private database and the public databases DRIVE, DIARETDB1 and Messidor. For the OD, we achieved 100% accuracy for all databases except Messidor (99.50%). As for the fovea location, we also reached 100% accuracy for all databases except Messidor (99.67%). The joint segmentation of RLs and EXs was accomplished by decomposing the fundus image into layers. Results were computed per pixel and per image. Using the private database, 88.34% per-image accuracy (ACCi) was reached for the RL detection and 95.41% ACCi for EX detection. An additional method was proposed for the segmentation of RLs based on superpixels. Evaluating this method with the private database, we obtained 84.45% ACCi. Results were validated using the DIARETDB1 database. Finally, we proposed a deep learning framework for the automatic DR severity grading. The method was based on a novel attention mechanism which performs a separate attention of the dark and the bright structures of the retina. The Kaggle DR detection dataset was used for development and validation. The International Clinical DR Scale was considered, which is made up of 5 DR severity levels. Classification results for all classes achieved 83.70% accuracy and a Quadratic Weighted Kappa of 0.78. The methods proposed in this Doctoral Thesis form a complete, automatic DR screening system, contributing to aid in the early detection of DR. In this way, diabetic patients could receive better attention for their ocular health avoiding vision loss. In addition, the workload of specialists could be relieved while healthcare costs are reduced.La retinopatía diabética (RD) es la complicación más común de la diabetes mellitus y una de las principales causas de ceguera prevenible en la población activa adulta. El diagnóstico precoz es primordial para prevenir la pérdida visual. Sin embargo, la RD es clínicamente asintomática hasta etapas avanzadas, cuando la visión ya está afectada. Por eso, los pacientes diabéticos deben someterse a exámenes oftalmológicos periódicos a través de programas de cribado. Tradicionalmente, estos programas están a cargo de especialistas y se basan de la inspección visual de retinografías. Sin embargo, este análisis manual requiere mucho tiempo y es costoso. Con la creciente incidencia de la diabetes y la escasez de recursos sanitarios, la detección precoz de la RD se hace inviable. Por esta razón, se necesitan sistemas de diagnóstico asistido por ordenador (CAD) que ayuden a los especialistas a realizar un diagnóstico rápido y fiable, que permita reducir la carga de trabajo y los costes asociados. El objetivo principal de la presente Tesis Doctoral es estudiar, diseñar y desarrollar nuevos métodos basados en el análisis automático de retinografías para ayudar en el cribado, diagnóstico y tratamiento de la RD. Las etapas estudiadas fueron: la evaluación de la calidad de la imagen retiniana (RIQA), la localización del disco óptico (OD) y la fóvea, la segmentación de RL y EX y la graduación de la severidad de la RD. RIQA se estudió con dos enfoques diferentes. El primer enfoque se basó en la combinación de características globales. Los resultados lograron una precisión del 91,46% utilizando la base de datos privada. El segundo enfoque se basó en aprendizaje profundo. Logramos un 95,29% de precisión con la base de datos privada y un 99,48% con la base de datos DRIMDB. La localización del OD y la fóvea se realizó mediante una combinación de mapas de saliencia. Los métodos propuestos fueron evaluados sobre la base de datos privada y las bases de datos públicas DRIVE, DIARETDB1 y Messidor. Para el OD, logramos una precisión del 100% para todas las bases de datos excepto Messidor (99,50%). En cuanto a la ubicación de la fóvea, también alcanzamos un 100% de precisión para todas las bases de datos excepto Messidor (99,67%). La segmentación conjunta de RL y EX se logró descomponiendo la imagen del fondo de ojo en capas. Utilizando la base de datos privada, se alcanzó un 88,34% de precisión por imagen (ACCi) para la detección de RL y un 95,41% de ACCi para la detección de EX. Se propuso un método adicional para la segmentación de RL basado en superpíxeles. Evaluando este método con la base de datos privada, obtuvimos 84.45% ACCi. Los resultados se validaron utilizando la base de datos DIARETDB1. Finalmente, propusimos un método de aprendizaje profundo para la graduación automática de la gravedad de la DR. El método se basó en un mecanismo de atención. Se utilizó la base de datos Kaggle y la Escala Clínica Internacional de RD (5 niveles de severidad). Los resultados de clasificación para todas las clases alcanzaron una precisión del 83,70% y un Kappa ponderado cuadrático de 0,78. Los métodos propuestos en esta Tesis Doctoral forman un sistema completo y automático de cribado de RD, contribuyendo a ayudar en la detección precoz de la RD. De esta forma, los pacientes diabéticos podrían recibir una mejor atención para su salud ocular evitando la pérdida de visión. Además, se podría aliviar la carga de trabajo de los especialistas al mismo tiempo que se reducen los costes sanitarios.Escuela de DoctoradoDoctorado en Tecnologías de la Información y las Telecomunicacione

Clinical Applications of Artificial Intelligence in Glaucoma

Ophthalmology is one of the major imaging-intensive fields of medicine and thus has potential for extensive applications of artificial intelligence (AI) to advance diagnosis, drug efficacy, and other treatment-related aspects of ocular disease. AI has made impressive progress in ophthalmology within the past few years and two autonomous AIenabled systems have received US regulatory approvals for autonomously screening for mid-level or advanced diabetic retinopathy and macular edema. While no autonomous AI-enabled system for glaucoma screening has yet received US regulatory approval, numerous assistive AI-enabled software tools are already employed in commercialized instruments for quantifying retinal images and visual fields to augment glaucoma research and clinical practice. In this literature review (non-systematic), we provide an overview of AI applications in glaucoma, and highlight some limitations and considerations for AI integration and adoption into clinical practice

Deep learning for unsupervised domain adaptation in medical imaging: Recent advancements and future perspectives

Deep learning has demonstrated remarkable performance across various tasks in medical imaging. However, these approaches primarily focus on supervised learning, assuming that the training and testing data are drawn from the same distribution. Unfortunately, this assumption may not always hold true in practice. To address these issues, unsupervised domain adaptation (UDA) techniques have been developed to transfer knowledge from a labeled domain to a related but unlabeled domain. In recent years, significant advancements have been made in UDA, resulting in a wide range of methodologies, including feature alignment, image translation, self-supervision, and disentangled representation methods, among others. In this paper, we provide a comprehensive literature review of recent deep UDA approaches in medical imaging from a technical perspective. Specifically, we categorize current UDA research in medical imaging into six groups and further divide them into finer subcategories based on the different tasks they perform. We also discuss the respective datasets used in the studies to assess the divergence between the different domains. Finally, we discuss emerging areas and provide insights and discussions on future research directions to conclude this survey.Comment: Under Revie