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 Semantic Segmentation of Natural and Medical Images: A Review

The semantic image segmentation task consists of classifying each pixel of an image into an instance, where each instance corresponds to a class. This task is a part of the concept of scene understanding or better explaining the global context of an image. In the medical image analysis domain, image segmentation can be used for image-guided interventions, radiotherapy, or improved radiological diagnostics. In this review, we categorize the leading deep learning-based medical and non-medical image segmentation solutions into six main groups of deep architectural, data synthesis-based, loss function-based, sequenced models, weakly supervised, and multi-task methods and provide a comprehensive review of the contributions in each of these groups. Further, for each group, we analyze each variant of these groups and discuss the limitations of the current approaches and present potential future research directions for semantic image segmentation.Comment: 45 pages, 16 figures. Accepted for publication in Springer Artificial Intelligence Revie

Challenges and Opportunities of End-to-End Learning in Medical Image Classification

Das Paradigma des End-to-End Lernens hat in den letzten Jahren die Bilderkennung revolutioniert, aber die klinische Anwendung hinkt hinterher. Bildbasierte computergestützte Diagnosesysteme basieren immer noch weitgehend auf hochtechnischen und domänen-spezifischen Pipelines, die aus unabhängigen regelbasierten Modellen bestehen, welche die Teilaufgaben der Bildklassifikation wiederspiegeln: Lokalisation von auffälligen Regionen, Merkmalsextraktion und Entscheidungsfindung. Das Versprechen einer überlegenen Entscheidungsfindung beim End-to-End Lernen ergibt sich daraus, dass domänenspezifische Zwangsbedingungen von begrenzter Komplexität entfernt werden und stattdessen alle Systemkomponenten gleichzeitig, direkt anhand der Rohdaten, und im Hinblick auf die letztendliche Aufgabe optimiert werden. Die Gründe dafür, dass diese Vorteile noch nicht den Weg in die Klinik gefunden haben, d.h. die Herausforderungen, die sich bei der Entwicklung Deep Learning-basierter Diagnosesysteme stellen, sind vielfältig: Die Tatsache, dass die Generalisierungsfähigkeit von Lernalgorithmen davon abhängt, wie gut die verfügbaren Trainingsdaten die tatsächliche zugrundeliegende Datenverteilung abbilden, erweist sich in medizinische Anwendungen als tiefgreifendes Problem. Annotierte Datensätze in diesem Bereich sind notorisch klein, da für die Annotation eine kostspielige Beurteilung durch Experten erforderlich ist und die Zusammenlegung kleinerer Datensätze oft durch Datenschutzauflagen und Patientenrechte erschwert wird. Darüber hinaus weisen medizinische Datensätze drastisch unterschiedliche Eigenschaften im Bezug auf Bildmodalitäten, Bildgebungsprotokolle oder Anisotropien auf, und die oft mehrdeutige Evidenz in medizinischen Bildern kann sich auf inkonsistente oder fehlerhafte Trainingsannotationen übertragen. Während die Verschiebung von Datenverteilungen zwischen Forschungsumgebung und Realität zu einer verminderten Modellrobustheit führt und deshalb gegenwärtig als das Haupthindernis für die klinische Anwendung von Lernalgorithmen angesehen wird, wird dieser Graben oft noch durch Störfaktoren wie Hardwarelimitationen oder Granularität von gegebenen Annotation erweitert, die zu Diskrepanzen zwischen der modellierten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung führen. Diese Arbeit untersucht das Potenzial des End-to-End-Lernens in klinischen Diagnosesystemen und präsentiert Beiträge zu einigen der wichtigsten Herausforderungen, die derzeit eine breite klinische Anwendung verhindern. Zunächst wird der letzten Teil der Klassifikations-Pipeline untersucht, die Kategorisierung in klinische Pathologien. Wir demonstrieren, wie das Ersetzen des gegenwärtigen klinischen Standards regelbasierter Entscheidungen durch eine groß angelegte Merkmalsextraktion gefolgt von lernbasierten Klassifikatoren die Brustkrebsklassifikation im MRT signifikant verbessert und eine Leistung auf menschlichem Level erzielt. Dieser Ansatz wird weiter anhand von kardiologischer Diagnose gezeigt. Zweitens ersetzen wir, dem Paradigma des End-to-End Lernens folgend, das biophysikalische Modell, das für die Bildnormalisierung in der MRT angewandt wird, sowie die Extraktion handgefertigter Merkmale, durch eine designierte CNN-Architektur und liefern eine eingehende Analyse, die das verborgene Potenzial der gelernten Bildnormalisierung und einen Komplementärwert der gelernten Merkmale gegenüber den handgefertigten Merkmalen aufdeckt. Während dieser Ansatz auf markierten Regionen arbeitet und daher auf manuelle Annotation angewiesen ist, beziehen wir im dritten Teil die Aufgabe der Lokalisierung dieser Regionen in den Lernprozess ein, um eine echte End-to-End-Diagnose baserend auf den Rohbildern zu ermöglichen. Dabei identifizieren wir eine weitgehend vernachlässigte Zwangslage zwischen dem Streben nach der Auswertung von Modellen auf klinisch relevanten Skalen auf der einen Seite, und der Optimierung für effizientes Training unter Datenknappheit auf der anderen Seite. Wir präsentieren ein Deep Learning Modell, das zur Auflösung dieses Kompromisses beiträgt, liefern umfangreiche Experimente auf drei medizinischen Datensätzen sowie eine Serie von Toy-Experimenten, die das Verhalten bei begrenzten Trainingsdaten im Detail untersuchen, und publiziren ein umfassendes Framework, das unter anderem die ersten 3D-Implementierungen gängiger Objekterkennungsmodelle umfasst. Wir identifizieren weitere Hebelpunkte in bestehenden End-to-End-Lernsystemen, bei denen Domänenwissen als Zwangsbedingung dienen kann, um die Robustheit von Modellen in der medizinischen Bildanalyse zu erhöhen, die letztendlich dazu beitragen sollen, den Weg für die Anwendung in der klinischen Praxis zu ebnen. Zu diesem Zweck gehen wir die Herausforderung fehlerhafter Trainingsannotationen an, indem wir die Klassifizierungskompnente in der End-to-End-Objekterkennung durch Regression ersetzen, was es ermöglicht, Modelle direkt auf der kontinuierlichen Skala der zugrunde liegenden pathologischen Prozesse zu trainieren und so die Robustheit der Modelle gegenüber fehlerhaften Trainingsannotationen zu erhöhen. Weiter adressieren wir die Herausforderung der Input-Heterogenitäten, mit denen trainierte Modelle konfrontiert sind, wenn sie an verschiedenen klinischen Orten eingesetzt werden, indem wir eine modellbasierte Domänenanpassung vorschlagen, die es ermöglicht, die ursprüngliche Trainingsdomäne aus veränderten Inputs wiederherzustellen und damit eine robuste Generalisierung zu gewährleisten. Schließlich befassen wir uns mit dem höchst unsystematischen, aufwendigen und subjektiven Trial-and-Error-Prozess zum Finden von robusten Hyperparametern für einen gegebene Aufgabe, indem wir Domänenwissen in ein Set systematischer Regeln überführen, die eine automatisierte und robuste Konfiguration von Deep Learning Modellen auf einer Vielzahl von medizinischen Datensetzen ermöglichen. Zusammenfassend zeigt die hier vorgestellte Arbeit das enorme Potenzial von End-to-End Lernalgorithmen im Vergleich zum klinischen Standard mehrteiliger und hochtechnisierter Diagnose-Pipelines auf, und präsentiert Lösungsansätze zu einigen der wichtigsten Herausforderungen für eine breite Anwendung unter realen Bedienungen wie Datenknappheit, Diskrepanz zwischen der vom Modell behandelten Aufgabe und der zugrunde liegenden klinischen Fragestellung, Mehrdeutigkeiten in Trainingsannotationen, oder Verschiebung von Datendomänen zwischen klinischen Standorten. Diese Beiträge können als Teil des übergreifende Zieles der Automatisierung von medizinischer Bildklassifikation gesehen werden - ein integraler Bestandteil des Wandels, der erforderlich ist, um die Zukunft des Gesundheitswesens zu gestalten

Vertebral Compression Fracture Detection With Novel 3D Localisation

Vertebral compression fractures (VCF) often go undetected in radiology images, potentially leading to secondary fractures and permanent disability or even death. The objective of this thesis is to develop a fully automated method for detecting VCF in incidental CT images acquired for other purposes, thereby facilitating better follow up and treatment. The proposed approach is based on 3D localisation in CT images, followed by VCF detection in the localised regions. The 3D localisation algorithm combines deep reinforcement learning (DRL) with imitation learning (IL) to extract thoracic / lumbar spine regions from chest / abdomen CT scans. The algorithm generates six bounding boxes as Regions of Interest (ROI) using three different CNN models, with an average Jaccard Index (JI)/Dice Coefficient (DC) of 74.21%/84.71%. The extracted ROI were then divided into slices and the slices into patches to train four convolutional neural network (CNN) models for VCF detection at the patch level. The predictions from the patches were aggregated at bounding box level, and majority voting performed to decide on the presence / absence of VCF for a patient. The best performing model was a six layered CNN, which together with majority voting achieved threefold cross validation accuracy / F1 Score of 85.95% / 85.94% from 308 chest scans. The same model also achieved a fivefold cross validation accuracy / F1 score of 86.67% / 87.04% from 168 abdomen scans. Because of the success of the 3D localisation algorithm, it was also trained on other abdominal organs, namely the spleen and left and right kidneys, with promising results. The 3D localisation algorithm was enhanced to work with fused bounding boxes and also in semi-supervised mode to address the problem of annotation time by radiologists. Experiments using three different proportions of labelled and unlabelled data achieved fairly good performance, although not as good as the fully supervised equivalents. Finally, VCF detection in a weakly supervised multiple instance learning (MIL) setting was performed to reduce radiologists’ time for annotations, together with majority voting on the six bounding boxes. The best performing model was the six layered CNN which achieved threefold cross validation accuracy / F1 score of 81.05% / 80.74 % on 308 thoracic scans, and fivefold cross validation accuracy / F1 Score of 85.45% / 86.61% on 168 abdomen scans. Overall, the results are comparable to the state-of the art that used an order of magnitude more scans

Deep learning for fast and robust medical image reconstruction and analysis

Medical imaging is an indispensable component of modern medical research as well as clinical practice. Nevertheless, imaging techniques such as magnetic resonance imaging (MRI) and computational tomography (CT) are costly and are less accessible to the majority of the world. To make medical devices more accessible, affordable and efficient, it is crucial to re-calibrate our current imaging paradigm for smarter imaging. In particular, as medical imaging techniques have highly structured forms in the way they acquire data, they provide us with an opportunity to optimise the imaging techniques holistically by leveraging data. The central theme of this thesis is to explore different opportunities where we can exploit data and deep learning to improve the way we extract information for better, faster and smarter imaging. This thesis explores three distinct problems. The first problem is the time-consuming nature of dynamic MR data acquisition and reconstruction. We propose deep learning methods for accelerated dynamic MR image reconstruction, resulting in up to 10-fold reduction in imaging time. The second problem is the redundancy in our current imaging pipeline. Traditionally, imaging pipeline treated acquisition, reconstruction and analysis as separate steps. However, we argue that one can approach them holistically and optimise the entire pipeline jointly for a specific target goal. To this end, we propose deep learning approaches for obtaining high fidelity cardiac MR segmentation directly from significantly undersampled data, greatly exceeding the undersampling limit for image reconstruction. The final part of this thesis tackles the problem of interpretability of the deep learning algorithms. We propose attention-models that can implicitly focus on salient regions in an image to improve accuracy for ultrasound scan plane detection and CT segmentation. More crucially, these models can provide explainability, which is a crucial stepping stone for the harmonisation of smart imaging and current clinical practice.Open Acces

Biomedical Image Processing and Classification

Biomedical image processing is an interdisciplinary field involving a variety of disciplines, e.g., electronics, computer science, physics, mathematics, physiology, and medicine. Several imaging techniques have been developed, providing many approaches to the study of the human body. Biomedical image processing is finding an increasing number of important applications in, for example, the study of the internal structure or function of an organ and the diagnosis or treatment of a disease. If associated with classification methods, it can support the development of computer-aided diagnosis (CAD) systems, which could help medical doctors in refining their clinical picture

A Novel System and Image Processing for Improving 3D Ultrasound-guided Interventional Cancer Procedures

Image-guided medical interventions are diagnostic and therapeutic procedures that focus on minimizing surgical incisions for improving disease management and reducing patient burden relative to conventional techniques. Interventional approaches, such as biopsy, brachytherapy, and ablation procedures, have been used in the management of cancer for many anatomical regions, including the prostate and liver. Needles and needle-like tools are often used for achieving planned clinical outcomes, but the increased dependency on accurate targeting, guidance, and verification can limit the widespread adoption and clinical scope of these procedures. Image-guided interventions that incorporate 3D information intraoperatively have been shown to improve the accuracy and feasibility of these procedures, but clinical needs still exist for improving workflow and reducing physician variability with widely applicable cost-conscience approaches. The objective of this thesis was to incorporate 3D ultrasound (US) imaging and image processing methods during image-guided cancer interventions in the prostate and liver to provide accessible, fast, and accurate approaches for clinical improvements. An automatic 2D-3D transrectal ultrasound (TRUS) registration algorithm was optimized and implemented in a 3D TRUS-guided system to provide continuous prostate motion corrections with sub-millimeter and sub-degree error in 36 ± 4 ms. An automatic and generalizable 3D TRUS prostate segmentation method was developed on a diverse clinical dataset of patient images from biopsy and brachytherapy procedures, resulting in errors at gold standard accuracy with a computation time of 0.62 s. After validation of mechanical and image reconstruction accuracy, a novel 3D US system for focal liver tumor therapy was developed to guide therapy applicators with 4.27 ± 2.47 mm error. The verification of applicators post-insertion motivated the development of a 3D US applicator segmentation approach, which was demonstrated to provide clinically feasible assessments in 0.246 ± 0.007 s. Lastly, a general needle and applicator tool segmentation algorithm was developed to provide accurate intraoperative and real-time insertion feedback for multiple anatomical locations during a variety of clinical interventional procedures. Clinical translation of these developed approaches has the potential to extend the overall patient quality of life and outcomes by improving detection rates and reducing local cancer recurrence in patients with prostate and liver cancer

Predicting the Clinical Management of Skin Lesions Using Deep Learning

Automated machine learning approaches to skin lesion diagnosis from images are approaching dermatologist-level performance. However, current machine learning approaches that suggest management decisions rely on predicting the underlying skin condition to infer a management decision without considering the variability of management decisions that may exist within a single condition. We present the first work to explore image-based prediction of clinical management decisions directly without explicitly predicting the diagnosis. In particular, we use clinical and dermoscopic images of skin lesions along with patient metadata from the Interactive Atlas of Dermoscopy dataset (1011 cases; 20 disease labels; 3 management decisions) and demonstrate that predicting management labels directly is more accurate than predicting the diagnosis and then inferring the management decision (13.73±3.93% and 6.59±2.86% improvement in overall accuracy and AUROC respectively), statistically significant at p<0.001. Directly predicting management decisions also considerably reduces the over-excision rate as compared to management decisions inferred from diagnosis predictions (24.56% fewer cases wrongly predicted to be excised). Furthermore, we show that training a model to also simultaneously predict the seven-point criteria and the diagnosis of skin lesions yields an even higher accuracy (improvements of 4.68±1.89% and 2.24±2.04% in overall accuracy and AUROC respectively) of management predictions. Finally, we demonstrate our model’s generalizability by evaluating on the publicly available MClass-D dataset and show that our model agrees with the clinical management recommendations of 157 dermatologists as much as they agree amongst each other