Automatic Spatiotemporal Analysis of Cardiac Image Series

RÉSUMÉ À ce jour, les maladies cardiovasculaires demeurent au premier rang des principales causes de décès en Amérique du Nord. Chez l’adulte et au sein de populations de plus en plus jeunes, la soi-disant épidémie d’obésité entraînée par certaines habitudes de vie tels que la mauvaise alimentation, le manque d’exercice et le tabagisme est lourde de conséquences pour les personnes affectées, mais aussi sur le système de santé. La principale cause de morbidité et de mortalité chez ces patients est l’athérosclérose, une accumulation de plaque à l’intérieur des vaisseaux sanguins à hautes pressions telles que les artères coronaires. Les lésions athérosclérotiques peuvent entraîner l’ischémie en bloquant la circulation sanguine et/ou en provoquant une thrombose. Cela mène souvent à de graves conséquences telles qu’un infarctus. Outre les problèmes liés à la sténose, les parois artérielles des régions criblées de plaque augmentent la rigidité des parois vasculaires, ce qui peut aggraver la condition du patient. Dans la population pédiatrique, la pathologie cardiovasculaire acquise la plus fréquente est la maladie de Kawasaki. Il s’agit d’une vasculite aigüe pouvant affecter l’intégrité structurale des parois des artères coronaires et mener à la formation d’anévrismes. Dans certains cas, ceux-ci entravent l’hémodynamie artérielle en engendrant une perfusion myocardique insuffisante et en activant la formation de thromboses. Le diagnostic de ces deux maladies coronariennes sont traditionnellement effectués à l’aide d’angiographies par fluoroscopie. Pendant ces examens paracliniques, plusieurs centaines de projections radiographiques sont acquises en séries suite à l’infusion artérielle d’un agent de contraste. Ces images révèlent la lumière des vaisseaux sanguins et la présence de lésions potentiellement pathologiques, s’il y a lieu. Parce que les séries acquises contiennent de l’information très dynamique en termes de mouvement du patient volontaire et involontaire (ex. battements cardiaques, respiration et déplacement d’organes), le clinicien base généralement son interprétation sur une seule image angiographique où des mesures géométriques sont effectuées manuellement ou semi-automatiquement par un technicien en radiologie. Bien que l’angiographie par fluoroscopie soit fréquemment utilisé partout dans le monde et souvent considéré comme l’outil de diagnostic “gold-standard” pour de nombreuses maladies vasculaires, la nature bidimensionnelle de cette modalité d’imagerie est malheureusement très limitante en termes de spécification géométrique des différentes régions pathologiques. En effet, la structure tridimensionnelle des sténoses et des anévrismes ne peut pas être pleinement appréciée en 2D car les caractéristiques observées varient selon la configuration angulaire de l’imageur. De plus, la présence de lésions affectant les artères coronaires peut ne pas refléter la véritable santé du myocarde, car des mécanismes compensatoires naturels (ex. vaisseaux----------ABSTRACT Cardiovascular disease continues to be the leading cause of death in North America. In adult and, alarmingly, ever younger populations, the so-called obesity epidemic largely driven by lifestyle factors that include poor diet, lack of exercise and smoking, incurs enormous stresses on the healthcare system. The primary cause of serious morbidity and mortality for these patients is atherosclerosis, the build up of plaque inside high pressure vessels like the coronary arteries. These lesions can lead to ischemic disease and may progress to precarious blood flow blockage or thrombosis, often with infarction or other severe consequences. Besides the stenosis-related outcomes, the arterial walls of plaque-ridden regions manifest increased stiffness, which may exacerbate negative patient prognosis. In pediatric populations, the most prevalent acquired cardiovascular pathology is Kawasaki disease. This acute vasculitis may affect the structural integrity of coronary artery walls and progress to aneurysmal lesions. These can hinder the blood flow’s hemodynamics, leading to inadequate downstream perfusion, and may activate thrombus formation which may lead to precarious prognosis. Diagnosing these two prominent coronary artery diseases is traditionally performed using fluoroscopic angiography. Several hundred serial x-ray projections are acquired during selective arterial infusion of a radiodense contrast agent, which reveals the vessels’ luminal area and possible pathological lesions. The acquired series contain highly dynamic information on voluntary and involuntary patient movement: respiration, organ displacement and heartbeat, for example. Current clinical analysis is largely limited to a single angiographic image where geometrical measures will be performed manually or semi-automatically by a radiological technician. Although widely used around the world and generally considered the gold-standard diagnosis tool for many vascular diseases, the two-dimensional nature of this imaging modality is limiting in terms of specifying the geometry of various pathological regions. Indeed, the 3D structures of stenotic or aneurysmal lesions may not be fully appreciated in 2D because their observable features are dependent on the angular configuration of the imaging gantry. Furthermore, the presence of lesions in the coronary arteries may not reflect the true health of the myocardium, as natural compensatory mechanisms may obviate the need for further intervention. In light of this, cardiac magnetic resonance perfusion imaging is increasingly gaining attention and clinical implementation, as it offers a direct assessment of myocardial tissue viability following infarction or suspected coronary artery disease. This type of modality is plagued, however, by motion similar to that present in fluoroscopic imaging. This issue predisposes clinicians to laborious manual intervention in order to align anatomical structures in sequential perfusion frames, thus hindering automation o

Automatic Spatiotemporal Analysis of Cardiac Image Series

RÉSUMÉ À ce jour, les maladies cardiovasculaires demeurent au premier rang des principales causes de décès en Amérique du Nord. Chez l’adulte et au sein de populations de plus en plus jeunes, la soi-disant épidémie d’obésité entraînée par certaines habitudes de vie tels que la mauvaise alimentation, le manque d’exercice et le tabagisme est lourde de conséquences pour les personnes affectées, mais aussi sur le système de santé. La principale cause de morbidité et de mortalité chez ces patients est l’athérosclérose, une accumulation de plaque à l’intérieur des vaisseaux sanguins à hautes pressions telles que les artères coronaires. Les lésions athérosclérotiques peuvent entraîner l’ischémie en bloquant la circulation sanguine et/ou en provoquant une thrombose. Cela mène souvent à de graves conséquences telles qu’un infarctus. Outre les problèmes liés à la sténose, les parois artérielles des régions criblées de plaque augmentent la rigidité des parois vasculaires, ce qui peut aggraver la condition du patient. Dans la population pédiatrique, la pathologie cardiovasculaire acquise la plus fréquente est la maladie de Kawasaki. Il s’agit d’une vasculite aigüe pouvant affecter l’intégrité structurale des parois des artères coronaires et mener à la formation d’anévrismes. Dans certains cas, ceux-ci entravent l’hémodynamie artérielle en engendrant une perfusion myocardique insuffisante et en activant la formation de thromboses. Le diagnostic de ces deux maladies coronariennes sont traditionnellement effectués à l’aide d’angiographies par fluoroscopie. Pendant ces examens paracliniques, plusieurs centaines de projections radiographiques sont acquises en séries suite à l’infusion artérielle d’un agent de contraste. Ces images révèlent la lumière des vaisseaux sanguins et la présence de lésions potentiellement pathologiques, s’il y a lieu. Parce que les séries acquises contiennent de l’information très dynamique en termes de mouvement du patient volontaire et involontaire (ex. battements cardiaques, respiration et déplacement d’organes), le clinicien base généralement son interprétation sur une seule image angiographique où des mesures géométriques sont effectuées manuellement ou semi-automatiquement par un technicien en radiologie. Bien que l’angiographie par fluoroscopie soit fréquemment utilisé partout dans le monde et souvent considéré comme l’outil de diagnostic “gold-standard” pour de nombreuses maladies vasculaires, la nature bidimensionnelle de cette modalité d’imagerie est malheureusement très limitante en termes de spécification géométrique des différentes régions pathologiques. En effet, la structure tridimensionnelle des sténoses et des anévrismes ne peut pas être pleinement appréciée en 2D car les caractéristiques observées varient selon la configuration angulaire de l’imageur. De plus, la présence de lésions affectant les artères coronaires peut ne pas refléter la véritable santé du myocarde, car des mécanismes compensatoires naturels (ex. vaisseaux----------ABSTRACT Cardiovascular disease continues to be the leading cause of death in North America. In adult and, alarmingly, ever younger populations, the so-called obesity epidemic largely driven by lifestyle factors that include poor diet, lack of exercise and smoking, incurs enormous stresses on the healthcare system. The primary cause of serious morbidity and mortality for these patients is atherosclerosis, the build up of plaque inside high pressure vessels like the coronary arteries. These lesions can lead to ischemic disease and may progress to precarious blood flow blockage or thrombosis, often with infarction or other severe consequences. Besides the stenosis-related outcomes, the arterial walls of plaque-ridden regions manifest increased stiffness, which may exacerbate negative patient prognosis. In pediatric populations, the most prevalent acquired cardiovascular pathology is Kawasaki disease. This acute vasculitis may affect the structural integrity of coronary artery walls and progress to aneurysmal lesions. These can hinder the blood flow’s hemodynamics, leading to inadequate downstream perfusion, and may activate thrombus formation which may lead to precarious prognosis. Diagnosing these two prominent coronary artery diseases is traditionally performed using fluoroscopic angiography. Several hundred serial x-ray projections are acquired during selective arterial infusion of a radiodense contrast agent, which reveals the vessels’ luminal area and possible pathological lesions. The acquired series contain highly dynamic information on voluntary and involuntary patient movement: respiration, organ displacement and heartbeat, for example. Current clinical analysis is largely limited to a single angiographic image where geometrical measures will be performed manually or semi-automatically by a radiological technician. Although widely used around the world and generally considered the gold-standard diagnosis tool for many vascular diseases, the two-dimensional nature of this imaging modality is limiting in terms of specifying the geometry of various pathological regions. Indeed, the 3D structures of stenotic or aneurysmal lesions may not be fully appreciated in 2D because their observable features are dependent on the angular configuration of the imaging gantry. Furthermore, the presence of lesions in the coronary arteries may not reflect the true health of the myocardium, as natural compensatory mechanisms may obviate the need for further intervention. In light of this, cardiac magnetic resonance perfusion imaging is increasingly gaining attention and clinical implementation, as it offers a direct assessment of myocardial tissue viability following infarction or suspected coronary artery disease. This type of modality is plagued, however, by motion similar to that present in fluoroscopic imaging. This issue predisposes clinicians to laborious manual intervention in order to align anatomical structures in sequential perfusion frames, thus hindering automation o

Inferring Geodesic Cerebrovascular Graphs: Image Processing, Topological Alignment and Biomarkers Extraction

A vectorial representation of the vascular network that embodies quantitative features - location, direction, scale, and bifurcations - has many potential neuro-vascular applications. Patient-specific models support computer-assisted surgical procedures in neurovascular interventions, while analyses on multiple subjects are essential for group-level studies on which clinical prediction and therapeutic inference ultimately depend. This first motivated the development of a variety of methods to segment the cerebrovascular system. Nonetheless, a number of limitations, ranging from data-driven inhomogeneities, the anatomical intra- and inter-subject variability, the lack of exhaustive ground-truth, the need for operator-dependent processing pipelines, and the highly non-linear vascular domain, still make the automatic inference of the cerebrovascular topology an open problem. In this thesis, brain vessels’ topology is inferred by focusing on their connectedness. With a novel framework, the brain vasculature is recovered from 3D angiographies by solving a connectivity-optimised anisotropic level-set over a voxel-wise tensor field representing the orientation of the underlying vasculature. Assuming vessels joining by minimal paths, a connectivity paradigm is formulated to automatically determine the vascular topology as an over-connected geodesic graph. Ultimately, deep-brain vascular structures are extracted with geodesic minimum spanning trees. The inferred topologies are then aligned with similar ones for labelling and propagating information over a non-linear vectorial domain, where the branching pattern of a set of vessels transcends a subject-specific quantized grid. Using a multi-source embedding of a vascular graph, the pairwise registration of topologies is performed with the state-of-the-art graph matching techniques employed in computer vision. Functional biomarkers are determined over the neurovascular graphs with two complementary approaches. Efficient approximations of blood flow and pressure drop account for autoregulation and compensation mechanisms in the whole network in presence of perturbations, using lumped-parameters analog-equivalents from clinical angiographies. Also, a localised NURBS-based parametrisation of bifurcations is introduced to model fluid-solid interactions by means of hemodynamic simulations using an isogeometric analysis framework, where both geometry and solution profile at the interface share the same homogeneous domain. Experimental results on synthetic and clinical angiographies validated the proposed formulations. Perspectives and future works are discussed for the group-wise alignment of cerebrovascular topologies over a population, towards defining cerebrovascular atlases, and for further topological optimisation strategies and risk prediction models for therapeutic inference. Most of the algorithms presented in this work are available as part of the open-source package VTrails

Computerized Analysis of Magnetic Resonance Images to Study Cerebral Anatomy in Developing Neonates

The study of cerebral anatomy in developing neonates is of great importance for the understanding of brain development during the early period of life. This dissertation therefore focuses on three challenges in the modelling of cerebral anatomy in neonates during brain development. The methods that have been developed all use Magnetic Resonance Images (MRI) as source data. To facilitate study of vascular development in the neonatal period, a set of image analysis algorithms are developed to automatically extract and model cerebral vessel trees. The whole process consists of cerebral vessel tracking from automatically placed seed points, vessel tree generation, and vasculature registration and matching. These algorithms have been tested on clinical Time-of- Flight (TOF) MR angiographic datasets. To facilitate study of the neonatal cortex a complete cerebral cortex segmentation and reconstruction pipeline has been developed. Segmentation of the neonatal cortex is not effectively done by existing algorithms designed for the adult brain because the contrast between grey and white matter is reversed. This causes pixels containing tissue mixtures to be incorrectly labelled by conventional methods. The neonatal cortical segmentation method that has been developed is based on a novel expectation-maximization (EM) method with explicit correction for mislabelled partial volume voxels. Based on the resulting cortical segmentation, an implicit surface evolution technique is adopted for the reconstruction of the cortex in neonates. The performance of the method is investigated by performing a detailed landmark study. To facilitate study of cortical development, a cortical surface registration algorithm for aligning the cortical surface is developed. The method first inflates extracted cortical surfaces and then performs a non-rigid surface registration using free-form deformations (FFDs) to remove residual alignment. Validation experiments using data labelled by an expert observer demonstrate that the method can capture local changes and follow the growth of specific sulcus

Segmentation and Characterization of Small Retinal Vessels in Fundus Images Using the Tensor Voting Approach

RÉSUMÉ La rétine permet de visualiser facilement une partie du réseau vasculaire humain. Elle offre ainsi un aperçu direct sur le développement et le résultat de certaines maladies liées au réseau vasculaire dans son entier. Chaque complication visible sur la rétine peut avoir un impact sur la capacité visuelle du patient. Les plus petits vaisseaux sanguins sont parmi les premières structures anatomiques affectées par la progression d’une maladie, être capable de les analyser est donc crucial. Les changements dans l’état, l’aspect, la morphologie, la fonctionnalité, ou même la croissance des petits vaisseaux indiquent la gravité des maladies. Le diabète est une maladie métabolique qui affecte des millions de personnes autour du monde. Cette maladie affecte le taux de glucose dans le sang et cause des changements pathologiques dans différents organes du corps humain. La rétinopathie diabétique décrit l’en- semble des conditions et conséquences du diabète au niveau de la rétine. Les petits vaisseaux jouent un rôle dans le déclenchement, le développement et les conséquences de la rétinopa- thie. Dans les dernières étapes de cette maladie, la croissance des nouveaux petits vaisseaux, appelée néovascularisation, présente un risque important de provoquer la cécité. Il est donc crucial de détecter tous les changements qui ont lieu dans les petits vaisseaux de la rétine dans le but de caractériser les vaisseaux sains et les vaisseaux anormaux. La caractérisation en elle-même peut faciliter la détection locale d’une rétinopathie spécifique. La segmentation automatique des structures anatomiques comme le réseau vasculaire est une étape cruciale. Ces informations peuvent être fournies à un médecin pour qu’elles soient considérées lors de son diagnostic. Dans les systèmes automatiques d’aide au diagnostic, le rôle des petits vaisseaux est significatif. Ne pas réussir à les détecter automatiquement peut conduire à une sur-segmentation du taux de faux positifs des lésions rouges dans les étapes ultérieures. Les efforts de recherche se sont concentrés jusqu’à présent sur la localisation précise des vaisseaux de taille moyenne. Les modèles existants ont beaucoup plus de difficultés à extraire les petits vaisseaux sanguins. Les modèles existants ne sont pas robustes à la grande variance d’apparence des vaisseaux ainsi qu’à l’interférence avec l’arrière-plan. Les modèles de la littérature existante supposent une forme générale qui n’est pas suffisante pour s’adapter à la largeur étroite et la courbure qui caractérisent les petits vaisseaux sanguins. De plus, le contraste avec l’arrière-plan dans les régions des petits vaisseaux est très faible. Les méthodes de segmentation ou de suivi produisent des résultats fragmentés ou discontinus. Par ailleurs, la segmentation des petits vaisseaux est généralement faite aux dépends de l’amplification du bruit. Les modèles déformables sont inadéquats pour segmenter les petits vaisseaux. Les forces utilisées ne sont pas assez flexibles pour compenser le faible contraste, la largeur, et vii la variance des vaisseaux. Enfin, les approches de type apprentissage machine nécessitent un entraînement avec une base de données étiquetée. Il est très difficile d’obtenir ces bases de données dans le cas des petits vaisseaux. Cette thèse étend les travaux de recherche antérieurs en fournissant une nouvelle mé- thode de segmentation des petits vaisseaux rétiniens. La détection de ligne à échelles multiples (MSLD) est une méthode récente qui démontre une bonne performance de segmentation dans les images de la rétine, tandis que le vote tensoriel est une méthode proposée pour reconnecter les pixels. Une approche combinant un algorithme de détection de ligne et de vote tensoriel est proposée. L’application des détecteurs de lignes a prouvé son efficacité à segmenter les vais- seaux de tailles moyennes. De plus, les approches d’organisation perceptuelle comme le vote tensoriel ont démontré une meilleure robustesse en combinant les informations voisines d’une manière hiérarchique. La méthode de vote tensoriel est plus proche de la perception humain que d’autres modèles standards. Comme démontré dans ce manuscrit, c’est un outil pour segmenter les petits vaisseaux plus puissant que les méthodes existantes. Cette combinaison spécifique nous permet de surmonter les défis de fragmentation éprouvés par les méthodes de type modèle déformable au niveau des petits vaisseaux. Nous proposons également d’utiliser un seuil adaptatif sur la réponse de l’algorithme de détection de ligne pour être plus robuste aux images non-uniformes. Nous illustrons également comment une combinaison des deux méthodes individuelles, à plusieurs échelles, est capable de reconnecter les vaisseaux sur des distances variables. Un algorithme de reconstruction des vaisseaux est également proposé. Cette dernière étape est nécessaire car l’information géométrique complète est requise pour pouvoir utiliser la segmentation dans un système d’aide au diagnostic. La segmentation a été validée sur une base de données d’images de fond d’oeil à haute résolution. Cette base contient des images manifestant une rétinopathie diabétique. La seg- mentation emploie des mesures de désaccord standards et aussi des mesures basées sur la perception. En considérant juste les petits vaisseaux dans les images de la base de données, l’amélioration dans le taux de sensibilité que notre méthode apporte par rapport à la méthode standard de détection multi-niveaux de lignes est de 6.47%. En utilisant les mesures basées sur la perception, l’amélioration est de 7.8%. Dans une seconde partie du manuscrit, nous proposons également une méthode pour caractériser les rétines saines ou anormales. Certaines images contiennent de la néovascula- risation. La caractérisation des vaisseaux en bonne santé ou anormale constitue une étape essentielle pour le développement d’un système d’aide au diagnostic. En plus des défis que posent les petits vaisseaux sains, les néovaisseaux démontrent eux un degré de complexité encore plus élevé. Ceux-ci forment en effet des réseaux de vaisseaux à la morphologie com- plexe et inhabituelle, souvent minces et à fortes courbures. Les travaux existants se limitent viii à l’utilisation de caractéristiques de premier ordre extraites des petits vaisseaux segmentés. Notre contribution est d’utiliser le vote tensoriel pour isoler les jonctions vasculaires et d’uti- liser ces jonctions comme points d’intérêts. Nous utilisons ensuite une statistique spatiale de second ordre calculée sur les jonctions pour caractériser les vaisseaux comme étant sains ou pathologiques. Notre méthode améliore la sensibilité de la caractérisation de 9.09% par rapport à une méthode de l’état de l’art. La méthode développée s’est révélée efficace pour la segmentation des vaisseaux réti- niens. Des tenseurs d’ordre supérieur ainsi que la mise en œuvre d’un vote par tenseur via un filtrage orientable pourraient être étudiés pour réduire davantage le temps d’exécution et résoudre les défis encore présents au niveau des jonctions vasculaires. De plus, la caractéri- sation pourrait être améliorée pour la détection de la rétinopathie proliférative en utilisant un apprentissage supervisé incluant des cas de rétinopathie diabétique non proliférative ou d’autres pathologies. Finalement, l’incorporation des méthodes proposées dans des systèmes d’aide au diagnostic pourrait favoriser le dépistage régulier pour une détection précoce des rétinopathies et d’autres pathologies oculaires dans le but de réduire la cessité au sein de la population.----------ABSTRACT As an easily accessible site for the direct observation of the circulation system, human retina can offer a unique insight into diseases development or outcome. Retinal vessels are repre- sentative of the general condition of the whole systematic circulation, and thus can act as a "window" to the status of the vascular network in the whole body. Each complication on the retina can have an adverse impact on the patient’s sight. In this direction, small vessels’ relevance is very high as they are among the first anatomical structures that get affected as diseases progress. Moreover, changes in the small vessels’ state, appearance, morphology, functionality, or even growth indicate the severity of the diseases. This thesis will focus on the retinal lesions due to diabetes, a serious metabolic disease affecting millions of people around the world. This disorder disturbs the natural blood glucose levels causing various pathophysiological changes in different systems across the human body. Diabetic retinopathy is the medical term that describes the condition when the fundus and the retinal vessels are affected by diabetes. As in other diseases, small vessels play a crucial role in the onset, the development, and the outcome of the retinopathy. More importantly, at the latest stage, new small vessels, or neovascularizations, growth constitutes a factor of significant risk for blindness. Therefore, there is a need to detect all the changes that occur in the small retinal vessels with the aim of characterizing the vessels to healthy or abnormal. The characterization, in turn, can facilitate the detection of a specific retinopathy locally, like the sight-threatening proliferative diabetic retinopathy. Segmentation techniques can automatically isolate important anatomical structures like the vessels, and provide this information to the physician to assist him in the final decision. In comprehensive systems for the automatization of DR detection, small vessels role is significant as missing them early in a CAD pipeline might lead to an increase in the false positive rate of red lesions in subsequent steps. So far, the efforts have been concentrated mostly on the accurate localization of the medium range vessels. In contrast, the existing models are weak in case of the small vessels. The required generalization to adapt an existing model does not allow the approaches to be flexible, yet robust to compensate for the increased variability in the appearance as well as the interference with the background. So far, the current template models (matched filtering, line detection, and morphological processing) assume a general shape for the vessels that is not enough to approximate the narrow, curved, characteristics of the small vessels. Additionally, due to the weak contrast in the small vessel regions, the current segmentation and the tracking methods produce fragmented or discontinued results. Alternatively, the small vessel segmentation can be accomplished at the expense of x background noise magnification, in the case of using thresholding or the image derivatives methods. Furthermore, the proposed deformable models are not able to propagate a contour to the full extent of the vasculature in order to enclose all the small vessels. The deformable model external forces are ineffective to compensate for the low contrast, the low width, the high variability in the small vessel appearance, as well as the discontinuities. Internal forces, also, are not able to impose a global shape constraint to the contour that could be able to approximate the variability in the appearance of the vasculature in different categories of vessels. Finally, machine learning approaches require the training of a classifier on a labelled set. Those sets are difficult to be obtained, especially in the case of the smallest vessels. In the case of the unsupervised methods, the user has to predefine the number of clusters and perform an effective initialization of the cluster centers in order to converge to the global minimum. This dissertation expanded the previous research work and provides a new segmentation method for the smallest retinal vessels. Multi-scale line detection (MSLD) is a recent method that demonstrates good segmentation performance in the retinal images, while tensor voting is a method first proposed for reconnecting pixels. For the first time, we combined the line detection with the tensor voting framework. The application of the line detectors has been proved an effective way to segment medium-sized vessels. Additionally, perceptual organization approaches like tensor voting, demonstrate increased robustness by combining information coming from the neighborhood in a hierarchical way. Tensor voting is closer than standard models to the way human perception functions. As we show, it is a more powerful tool to segment small vessels than the existing methods. This specific combination allows us to overcome the apparent fragmentation challenge of the template methods at the smallest vessels. Moreover, we thresholded the line detection response adaptively to compensate for non-uniform images. We also combined the two individual methods in a multi-scale scheme in order to reconnect vessels at variable distances. Finally, we reconstructed the vessels from their extracted centerlines based on pixel painting as complete geometric information is required to be able to utilize the segmentation in a CAD system. The segmentation was validated on a high-resolution fundus image database that in- cludes diabetic retinopathy images of varying stages, using standard discrepancy as well as perceptual-based measures. When only the smallest vessels are considered, the improve- ments in the sensitivity rate for the database against the standard multi-scale line detection method is 6.47%. For the perceptual-based measure, the improvement is 7.8% against the basic method. The second objective of the thesis was to implement a method for the characterization of isolated retinal areas into healthy or abnormal cases. Some of the original images, from which xi these patches are extracted, contain neovascularizations. Investigation of image features for the vessels characterization to healthy or abnormal constitutes an essential step in the direction of developing CAD system for the automatization of DR screening. Given that the amount of data will significantly increase under CAD systems, the focus on this category of vessels can facilitate the referral of sight-threatening cases to early treatment. In addition to the challenges that small healthy vessels pose, neovessels demonstrate an even higher degree of complexity as they form networks of convolved, twisted, looped thin vessels. The existing work is limited to the use of first-order characteristics extracted from the small segmented vessels that limits the study of patterns. Our contribution is in using the tensor voting framework to isolate the retinal vascular junctions and in turn using those junctions as points of interests. Second, we exploited second-order statistics computed on the junction spatial distribution to characterize the vessels as healthy or neovascularizations. In fact, the second-order spatial statistics extracted from the junction distribution are combined with widely used features to improve the characterization sensitivity by 9.09% over the state of art. The developed method proved effective for the segmentation of the retinal vessels. Higher order tensors along with the implementation of tensor voting via steerable filtering could be employed to further reduce the execution time, and resolve the challenges at vascular junctions. Moreover, the characterization could be advanced to the detection of prolifera- tive retinopathy by extending the supervised learning to include non-proliferative diabetic retinopathy cases or other pathologies. Ultimately, the incorporation of the methods into CAD systems could facilitate screening for the effective reduction of the vision-threatening diabetic retinopathy rates, or the early detection of other than ocular pathologies