Application of deep learning techniques for biomedical data analysis

Deep learning and machine learning methods have been used for addressing the problems in the biomedical applications, such as diabetic retinopathy assessment and Parkinson's disease diagnosis. The severity of diabetic retinopathy is estimated by the expert's examination of fundus images based on the amount and location of three diabetic retinopathy signs (i.e., exudates, hemorrhages, and microaneurysms). An automatic and accurate system for detection of these signs can significantly help clinicians to make the best possible prognosis can result in reducing the risk of vision loss. For Parkinson's disease diagnosis, analysis of a speech voice is considered as the earliest symptom with the advantage of being non-intrusive and suitable for online applications. While some reported outcomes of the developed techniques have shown the good results and ongoing progress for these two applications, designing new algorithms is a thriving research field to overcome the poor sensitivity and specificity of the outcomes as well as the limitations such as dataset size and heuristic selection of the network parameters. This thesis has comprehensively studied and developed various deep learning frameworks for detection of diabetic retinopathy signs and diagnosis of Parkinson's disease. To improve the performance of the current systems, this work has had an investigation on different techniques: (i) color space investigation, (ii) examination of various deep learning methods, (iii) development of suitable pre/post-processing algorithms and (iv) appropriate selection of deep learning architectures and parameters. For diabetic retinopathy assessment, this thesis has proposed the new color space as the input for the deep learning models that obtained better replicability compared with the conventional color spaces. This has also shown the pre-trained model can extract more relevant features compared to the models which were trained from scratch. This has also presented a deep learning framework combined with the suitable pre and post-processing algorithms that increased the performance of the system. By investigation different architectures and parameters, the suitable deep learning model has been presented to distinguish between Parkinson's disease and healthy speech signal

Técnicas de análise de imagens para detecção de retinopatia diabética

Orientadores: Anderson de Rezende Rocha. Jacques WainerTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Retinopatia Diabética (RD) é uma complicação a longo prazo do diabetes e a principal causa de cegueira da população ativa. Consultas regulares são necessárias para diagnosticar a retinopatia em um estágio inicial, permitindo um tratamento com o melhor prognóstico capaz de retardar ou até mesmo impedir a cegueira. Alavancados pela evolução da prevalência do diabetes e pelo maior risco que os diabéticos têm de desenvolver doenças nos olhos, diversos trabalhos com abordagens bem estabelecidas e promissoras vêm sendo desenvolvidos para triagem automática de retinopatia. Entretanto, a maior parte dos trabalhos está focada na detecção de lesões utilizando características visuais particulares de cada tipo de lesão. Além do mais, soluções artesanais para avaliação de necessidade de consulta e de identificação de estágios da retinopatia ainda dependem bastante das lesões, cujo repetitivo procedimento de detecção é complexo e inconveniente, mesmo se um esquema unificado for adotado. O estado da arte para avaliação automatizada de necessidade de consulta é composto por abordagens que propõem uma representação altamente abstrata obtida inteiramente por meio dos dados. Usualmente, estas abordagens recebem uma imagem e produzem uma resposta ¿ que pode ser resultante de um único modelo ou de uma combinação ¿ e não são facilmente explicáveis. Este trabalho objetivou melhorar a detecção de lesões e reforçar decisões relacionadas à necessidade de consulta, fazendo uso de avançadas representações de imagens em duas etapas. Nós também almejamos compor um modelo sofisticado e direcionado pelos dados para triagem de retinopatia, bem como incorporar aprendizado supervisionado de características com representação orientada por mapa de calor, resultando em uma abordagem robusta e ainda responsável para triagem automatizada. Finalmente, tivemos como objetivo a integração das soluções em dispositivos portáteis de captura de imagens de retina. Para detecção de lesões, propusemos abordagens de caracterização de imagens que possibilitem uma detecção eficaz de diferentes tipos de lesões. Nossos principais avanços estão centrados na modelagem de uma nova técnica de codificação para imagens de retina, bem como na preservação de informações no processo de pooling ou agregação das características obtidas. Decidir automaticamente pela necessidade de encaminhamento do paciente a um especialista é uma investigação ainda mais difícil e muito debatida. Nós criamos um método mais simples e robusto para decisões de necessidade de consulta, e que não depende da detecção de lesões. Também propusemos um modelo direcionado pelos dados que melhora significativamente o desempenho na tarefa de triagem da RD. O modelo produz uma resposta confiável com base em respostas (locais e globais), bem como um mapa de ativação que permite uma compreensão de importância de cada pixel para a decisão. Exploramos a metodologia de explicabilidade para criar um descritor local codificado em uma rica representação em nível médio. Os modelos direcionados pelos dados são o estado da arte para triagem de retinopatia diabética. Entretanto, mapas de ativação são essenciais para interpretar o aprendizado em termos de importância de cada pixel e para reforçar pequenas características discriminativas que têm potencial de melhorar o diagnósticoAbstract: Diabetic Retinopathy (DR) is a long-term complication of diabetes and the leading cause of blindness among working-age adults. A regular eye examination is necessary to diagnose DR at an early stage, when it can be treated with the best prognosis and the visual loss delayed or deferred. Leveraged by the continuous expansion of diabetics and by the increased risk that those people have to develop eye diseases, several works with well-established and promising approaches have been proposed for automatic screening. Therefore, most existing art focuses on lesion detection using visual characteristics specific to each type of lesion. Additionally, handcrafted solutions for referable diabetic retinopathy detection and DR stages identification still depend too much on the lesions, whose repetitive detection is complex and cumbersome to implement, even when adopting a unified detection scheme. Current art for automated referral assessment resides on highly abstract data-driven approaches. Usually, those approaches receive an image and spit the response out ¿ that might be resulting from only one model or ensembles ¿ and are not easily explainable. Hence, this work aims at enhancing lesion detection and reinforcing referral decisions with advanced handcrafted two-tiered image representations. We also intended to compose sophisticated data-driven models for referable DR detection and incorporate supervised learning of features with saliency-oriented mid-level image representations to come up with a robust yet accountable automated screening approach. Ultimately, we aimed at integrating our software solutions with simple retinal imaging devices. In the lesion detection task, we proposed advanced handcrafted image characterization approaches to detecting effectively different lesions. Our leading advances are centered on designing a novel coding technique for retinal images and preserving information in the pooling process. Automatically deciding on whether or not the patient should be referred to the ophthalmic specialist is a more difficult, and still hotly debated research aim. We designed a simple and robust method for referral decisions that does not rely upon lesion detection stages. We also proposed a novel and effective data-driven model that significantly improves the performance for DR screening. Our accountable data-driven model produces a reliable (local- and global-) response along with a heatmap/saliency map that enables pixel-based importance comprehension. We explored this methodology to create a local descriptor that is encoded into a rich mid-level representation. Data-driven methods are the state of the art for diabetic retinopathy screening. However, saliency maps are essential not only to interpret the learning in terms of pixel importance but also to reinforce small discriminative characteristics that have the potential to enhance the diagnosticDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da ComputaçãoCAPE