Computational Anatomy for Multi-Organ Analysis in Medical Imaging: A Review

The medical image analysis field has traditionally been focused on the development of organ-, and disease-specific methods. Recently, the interest in the development of more 20 comprehensive computational anatomical models has grown, leading to the creation of multi-organ models. Multi-organ approaches, unlike traditional organ-specific strategies, incorporate inter-organ relations into the model, thus leading to a more accurate representation of the complex human anatomy. Inter-organ relations are not only spatial, but also functional and physiological. Over the years, the strategies 25 proposed to efficiently model multi-organ structures have evolved from the simple global modeling, to more sophisticated approaches such as sequential, hierarchical, or machine learning-based models. In this paper, we present a review of the state of the art on multi-organ analysis and associated computation anatomy methodology. The manuscript follows a methodology-based classification of the different techniques 30 available for the analysis of multi-organs and multi-anatomical structures, from techniques using point distribution models to the most recent deep learning-based approaches. With more than 300 papers included in this review, we reflect on the trends and challenges of the field of computational anatomy, the particularities of each anatomical region, and the potential of multi-organ analysis to increase the impact of 35 medical imaging applications on the future of healthcare.Comment: Paper under revie

Optical techniques for 3D surface reconstruction in computer-assisted laparoscopic surgery

One of the main challenges for computer-assisted surgery (CAS) is to determine the intra-opera- tive morphology and motion of soft-tissues. This information is prerequisite to the registration of multi-modal patient-specific data for enhancing the surgeon’s navigation capabilites by observ- ing beyond exposed tissue surfaces and for providing intelligent control of robotic-assisted in- struments. In minimally invasive surgery (MIS), optical techniques are an increasingly attractive approach for in vivo 3D reconstruction of the soft-tissue surface geometry. This paper reviews the state-of-the-art methods for optical intra-operative 3D reconstruction in laparoscopic surgery and discusses the technical challenges and future perspectives towards clinical translation. With the recent paradigm shift of surgical practice towards MIS and new developments in 3D opti- cal imaging, this is a timely discussion about technologies that could facilitate complex CAS procedures in dynamic and deformable anatomical regions

Automatic Initialization Of Contour For Level Set Algorithms Guided By Integration Of Multiple Views To Segment Abdominal CT Scans

This paper presents a new automatic initialization procedure for a level-set based segmentation algorithm that works on all slices for a given CT dataset

ATD: a multiplatform for semiautomatic 3-D detection of kidneys and their pathology in real time

This research presents a novel multi-functional system for medical Imaging-enabled Assistive Diagnosis (IAD). Although the IAD demonstrator has focused on abdominal images and supports the clinical diagnosis of kidneys using CT/MRI imaging, it can be adapted to work on image delineation, annotation and 3D real-size volumetric modelling of other organ structures such as the brain, spine, etc. The IAD provides advanced real-time 3D visualisation and measurements with fully automated functionalities as developed in two stages. In the first stage, via the clinically driven user interface, specialist clinicians use CT/MRI imaging datasets to accurately delineate and annotate the kidneys and their possible abnormalities, thus creating “3D Golden Standard Models”. Based on these models, in the second stage, clinical support staff i.e. medical technicians interactively define model-based rules and parameters for the integrated “Automatic Recognition Framework” to achieve results which are closest to that of the clinicians. These specific rules and parameters are stored in “Templates” and can later be used by any clinician to automatically identify organ structures i.e. kidneys and their possible abnormalities. The system also supports the transmission of these “Templates” to another expert for a second opinion. A 3D model of the body, the organs and their possible pathology with real metrics is also integrated. The automatic functionality was tested on eleven MRI datasets (comprising of 286 images) and the 3D models were validated by comparing them with the metrics from the corresponding “3D Golden Standard Models”. The system provides metrics for the evaluation of the results, in terms of Accuracy, Precision, Sensitivity, Specificity and Dice Similarity Coefficient (DSC) so as to enable benchmarking of its performance. The first IAD prototype has produced promising results as its performance accuracy based on the most widely deployed evaluation metric, DSC, yields 97% for the recognition of kidneys and 96% for their abnormalities; whilst across all the above evaluation metrics its performance ranges between 96% and 100%. Further development of the IAD system is in progress to extend and evaluate its clinical diagnostic support capability through development and integration of additional algorithms to offer fully computer-aided identification of other organs and their abnormalities based on CT/MRI/Ultra-sound Imaging

Automatic Abdominal Organ Segmentation from CT images

In the recent years a great deal of research work has been devoted to the development of semi-automatic and automatic techniques for the analysis of abdominal CT images. Some of the current interests are the automatic diagnosis of liver, spleen, and kidney pathologies and the 3D volume rendering of the abdominal organs. The first and fundamental step in all these studies is the automatic organs segmentation, that is still an open problem. In this paper we propose our fully automatic system that employs a hierarchical gray level based framework to segment heart, bones (i.e. ribs and spine), liver and its blood vessels, kidneys, and spleen. The overall system has been evaluated on the data of 100 patients, obtaining a good assessment both by visual inspection by three experts, and by comparing the computed results to the boundaries manually traced by experts

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