Image analysis for diagnostic support in biomedicine: neuromuscular diseases and pigmented lesions

Tesis descargada desde TESEOEsta tesis presenta dos sistemas implementados mediante técnicas de procesamiento de imagen, para ayuda al diagnóstico de enfermedades neuromusculares a partir de imágenes de microscopía de fluorescencia y análisis de lesiones pigmentadas a partir de imágenes dermoscópicas. El diagnóstico de enfermedades neuromusculares se basa en la evaluación visual de las biopsias musculares por parte del patólogo especialista, lo que conlleva una carga subjetiva. El primer sistema propuesto en esta tesis analiza objetivamente las biopsias musculares y las clasifica en distrofias, atrofias neurógenas o control (sin enfermedad) a través de imágenes de microscopía de fluorescencia. Su implementación reúne los elementos propios de un sistema de ayuda al diagnóstico asistido por ordenador: segmentación, extracción de características, selección de características y clasificación. El procedimiento comienza con una segmentación precisa de las fibras musculares usando morfología matemática y una transformada Watershed. A continuación, se lleva a cabo un paso de extracción de características, en el cual reside la principal contribución del sistema, ya que no solo se extraen aquellas que los patólogos tienen en cuenta para diagnosticar sino características que se escapan de la visión humana. Estas nuevas características se extraen suponiendo que la estructura de la biopsia se comporta como un grafo, en el que los nodos se corresponden con las fibras musculares, y dos nodos están conectados si dos fibras son adyacentes. Para estudiar la efectividad que estos dos conjuntos presentan en la categorización de las biopsias, se realiza una selección de características y una clasi- ficación empleando una red neuronal Fuzzy ARTMAP. El procedimiento concluye con una estimación de la severidad de las biopsias con patrón distrófico. Esta caracterización se realiza mediante un análisis de componentes principales. Para la validación del sistema se ha empleado una base de datos compuesta por 91 imágenes de biopsias musculares, de las cuales 71 se consideran imágenes de entrenamiento y 20 imágenes de prueba. Se consigue una elevada tasa de aciertos de clasificacion y se llega a la importante conclusión de que las nuevas características estructurales que no pueden ser detectadas por inspección visual mejoran la identificación de biopsias afectadas por atrofia neurógena. La segunda parte de la tesis presenta un sistema de clasificación de lesiones pigmentadas. Primero se propone un algoritmo de segmentación de imágenes en color para ais lar la lesión de la piel circundante. Su desarrollo se centra en conseguir un algoritmo relacionado con las diferencias color percibidas por el ojo humano. Consiguiendo así, no solo un método de segmentación de lesiones pigmentadas sino un algoritmo de segmentación de propósito general. El método de segmentación propuesto se basa en un gradiente para imágenes en color integrado en una técnica de level set para detección de bordes. La elección del gradiente se derivada a partir de un análisis de tres gradientes de color implementados en el espacio de color uniforme CIE L∗a∗b∗ y basados en las ecuaciones de diferencia de color desarrolladas por la comisión internacional de iluminación (CIELAB, CIE94 y CIEDE2000). El principal objetivo de este análisis es estudiar cómo estas ecuaciones afectan en la estimación de los gradientes en términos de correlación con la percepción visual del color. Una técnica de level-set se aplica sobre estos gradientes consiguiendo así un detector de borde que permite evaluar el rendimiento de dichos gradientes. La validación se lleva a cabo sobre una base de datos compuesta por imágenes sintéticas diseñada para tal fin. Se realizaron tanto medidas cuantitativas como cualitativas. Finalmente, se concluye que el detector de bordes basado en la ecuación de diferencias de color CIE94 presenta la mayor correlación con la percepción visual del color. A partir de entonces, la tesis intenta emular el método de análisis de patrones, la técnica de diagnóstico de lesiones pigmentadas de la piel más empleada por los dermatólogos. Este método trata de identificar patrones específicos, pudiendo ser tanto globales como locales. En esta tesis se presenta una amplia revisión de los métodos algorítmicos, publicados en la literatura, que detectan automáticamente dichos patrones a partir de imágenes dermoscópicas de lesiones pigmentadas. Tras esta revisón se advierte que numerosos trabajos se centran en la detección de patrones locales, pero solo unos pocos abordan la detección de patrones globales. El siguiente paso de esta tesis, por tanto, es la propuesta de diferentes métodos de clasi- ficación de patrones globales. El objetivo es identificar tres patrones: reticular, globular y empedrado (considerado un solo patrón) y homogéneo. Los métodos propuestos se basan en un análisis de textura mediante técnicas de modelado. En primer lugar una imagen demoscópica se modela mediante campos aleatorios de Markov, los parámetros estimados de este modelo se consideran características. A su vez, se supone que la distribución de estas características a lo largo de la lesión sigue diferentes modelos: un modelo gaussiano, un modelo de mezcla de gaussianas o un modelo de bolsa de características. La clasificación se lleva a cabo mediante una recuperación de imágenes basada en diferentes métricas de distancia. Para validar los métodos se emplea un conjunto significativo de imágenes dermatológicas, concluyendo que el modelo basado en mezcla de gaussianas proporciona la mejor tasa de clasificación. Además, se incluye una evaluación adicional en la que se clasifican melanomas con patrón multicomponente obteniendo resultados prometedores. Finalmente, se presenta una discusión sobre los hallazgos y conclusiones más relevantes extraídas de esta tesis, así como las líneas futuras que se derivan de este trabajo.Premio Extraordinario de Doctorado U

Computer aided diagnosis system using dermatoscopical image

Computer Aided Diagnosis (CAD) systems for melanoma detection aim to mirror the expert dermatologist decision when watching a dermoscopic or clinical image. Computer Vision techniques, which can be based on expert knowledge or not, are used to characterize the lesion image. This information is delivered to a machine learning algorithm, which gives a diagnosis suggestion as an output. This research is included into this field, and addresses the objective of implementing a complete CAD system using ‘state of the art’ descriptors and dermoscopy images as input. Some of them are based on expert knowledge and others are typical in a wide variety of problems. Images are initially transformed into oRGB, a perceptual color space, looking for both enhancing the information that images provide and giving human perception to machine algorithms. Feature selection is also performed to find features that really contribute to discriminate between benign and malignant pigmented skin lesions (PSL). The problem of robust model fitting versus statistically significant system evaluation is critical when working with small datasets, which is indeed the case. This topic is not generally considered in works related to PSLs. Consequently, a method that optimizes the compromise between these two goals is proposed, giving non-overfitted models and statistically significant measures of performance. In this manner, different systems can be compared in a fairer way. A database which enjoys wide international acceptance among dermatologists is used for the experiments.Ingeniería de Sistemas Audiovisuale

A survey, review, and future trends of skin lesion segmentation and classification

The Computer-aided Diagnosis or Detection (CAD) approach for skin lesion analysis is an emerging field of research that has the potential to alleviate the burden and cost of skin cancer screening. Researchers have recently indicated increasing interest in developing such CAD systems, with the intention of providing a user-friendly tool to dermatologists to reduce the challenges encountered or associated with manual inspection. This article aims to provide a comprehensive literature survey and review of a total of 594 publications (356 for skin lesion segmentation and 238 for skin lesion classification) published between 2011 and 2022. These articles are analyzed and summarized in a number of different ways to contribute vital information regarding the methods for the development of CAD systems. These ways include: relevant and essential definitions and theories, input data (dataset utilization, preprocessing, augmentations, and fixing imbalance problems), method configuration (techniques, architectures, module frameworks, and losses), training tactics (hyperparameter settings), and evaluation criteria. We intend to investigate a variety of performance-enhancing approaches, including ensemble and post-processing. We also discuss these dimensions to reveal their current trends based on utilization frequencies. In addition, we highlight the primary difficulties associated with evaluating skin lesion segmentation and classification systems using minimal datasets, as well as the potential solutions to these difficulties. Findings, recommendations, and trends are disclosed to inform future research on developing an automated and robust CAD system for skin lesion analysis

Computational Methods for Pigmented Skin Lesion Classification in Images: Review and Future Trends

Skin cancer is considered as one of the most common types of cancer in several countries, and its incidence rate has increased in recent years. Melanoma cases have caused an increasing number of deaths worldwide, since this type of skin cancer is the most aggressive compared to other types. Computational methods have been developed to assist dermatologists in early diagnosis of skin cancer. An overview of the main and current computational methods that have been proposed for pattern analysis and pigmented skin lesion classification is addressed in this review. In addition, a discussion about the application of such methods, as well as future trends, is also provided. Several methods for feature extraction from both macroscopic and dermoscopic images and models for feature selection are introduced and discussed. Furthermore, classification algorithms and evaluation procedures are described, and performance results for lesion classification and pattern analysis are given

What else does your biometric data reveal? A survey on soft biometrics

International audienceRecent research has explored the possibility of extracting ancillary information from primary biometric traits, viz., face, fingerprints, hand geometry and iris. This ancillary information includes personal attributes such as gender, age, ethnicity, hair color, height, weight, etc. Such attributes are known as soft biometrics and have applications in surveillance and indexing biometric databases. These attributes can be used in a fusion framework to improve the matching accuracy of a primary biometric system (e.g., fusing face with gender information), or can be used to generate qualitative descriptions of an individual (e.g., "young Asian female with dark eyes and brown hair"). The latter is particularly useful in bridging the semantic gap between human and machine descriptions of biometric data. In this paper, we provide an overview of soft biometrics and discuss some of the techniques that have been proposed to extract them from image and video data. We also introduce a taxonomy for organizing and classifying soft biometric attributes, and enumerate the strengths and limitations of these attributes in the context of an operational biometric system. Finally, we discuss open research problems in this field. This survey is intended for researchers and practitioners in the field of biometrics

Libro de actas. XXXV Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica

596 p.CASEIB2017 vuelve a ser el foro de referencia a nivel nacional para el intercambio científico de conocimiento, experiencias y promoción de la I D i en Ingeniería Biomédica. Un punto de encuentro de científicos, profesionales de la industria, ingenieros biomédicos y profesionales clínicos interesados en las últimas novedades en investigación, educación y aplicación industrial y clínica de la ingeniería biomédica. En la presente edición, más de 160 trabajos de alto nivel científico serán presentados en áreas relevantes de la ingeniería biomédica, tales como: procesado de señal e imagen, instrumentación biomédica, telemedicina, modelado de sistemas biomédicos, sistemas inteligentes y sensores, robótica, planificación y simulación quirúrgica, biofotónica y biomateriales. Cabe destacar las sesiones dedicadas a la competición por el Premio José María Ferrero Corral, y la sesión de competición de alumnos de Grado en Ingeniería biomédica, que persiguen fomentar la participación de jóvenes estudiantes e investigadores