Medical Image Segmentation: Thresholding and Minimum Spanning Trees

I bildesegmentering deles et bilde i separate objekter eller regioner. Det er et essensielt skritt i bildebehandling for å definere interesseområder for videre behandling eller analyse. Oppdelingsprosessen reduserer kompleksiteten til et bilde for å forenkle analysen av attributtene oppnådd etter segmentering. Det forandrer representasjonen av informasjonen i det opprinnelige bildet og presenterer pikslene på en måte som er mer meningsfull og lettere å forstå. Bildesegmentering har forskjellige anvendelser. For medisinske bilder tar segmenteringsprosessen sikte på å trekke ut bildedatasettet for å identifisere områder av anatomien som er relevante for en bestemt studie eller diagnose av pasienten. For eksempel kan man lokalisere berørte eller anormale deler av kroppen. Segmentering av oppfølgingsdata og baseline lesjonssegmentering er også svært viktig for å vurdere behandlingsresponsen. Det er forskjellige metoder som blir brukt for bildesegmentering. De kan klassifiseres basert på hvordan de er formulert og hvordan segmenteringsprosessen utføres. Metodene inkluderer de som er baserte på terskelverdier, graf-baserte, kant-baserte, klynge-baserte, modell-baserte og hybride metoder, og metoder basert på maskinlæring og dyp læring. Andre metoder er baserte på å utvide, splitte og legge sammen regioner, å finne diskontinuiteter i randen, vannskille segmentering, aktive kontuter og graf-baserte metoder. I denne avhandlingen har vi utviklet metoder for å segmentere forskjellige typer medisinske bilder. Vi testet metodene på datasett for hvite blodceller (WBCs) og magnetiske resonansbilder (MRI). De utviklede metodene og analysen som er utført på bildedatasettet er presentert i tre artikler. I artikkel A (Paper A) foreslo vi en metode for segmentering av nukleuser og cytoplasma fra hvite blodceller. Metodene estimerer terskelen for segmentering av nukleuser automatisk basert på lokale minima. Metoden segmenterer WBC-ene før segmentering av cytoplasma avhengig av kompleksiteten til objektene i bildet. For bilder der WBC-ene er godt skilt fra røde blodlegemer (RBC), er WBC-ene segmentert ved å ta gjennomsnittet av $n$ bilder som allerede var filtrert med en terskelverdi. For bilder der RBC-er overlapper WBC-ene, er hele WBC-ene segmentert ved hjelp av enkle lineære iterative klynger (SLIC) og vannskillemetoder. Cytoplasmaet oppnås ved å trekke den segmenterte nukleusen fra den segmenterte WBC-en. Metoden testes på to forskjellige offentlig tilgjengelige datasett, og resultatene sammenlignes med toppmoderne metoder. I artikkel B (Paper B) foreslo vi en metode for segmentering av hjernesvulster basert på minste dekkende tre-konsepter (minimum spanning tree, MST). Metoden utfører interaktiv segmentering basert på MST. I denne artikkelen er bildet lastet inn i et interaktivt vindu for segmentering av svulsten. Fokusregion og bakgrunn skilles ved å klikke for å dele MST i to trær. Ett av disse trærne representerer fokusregionen og det andre representerer bakgrunnen. Den foreslåtte metoden ble testet ved å segmentere to forskjellige 2D-hjerne T1 vektede magnetisk resonans bildedatasett. Metoden er enkel å implementere og resultatene indikerer at den er nøyaktig og effektiv. I artikkel C (Paper C) foreslår vi en metode som behandler et 3D MRI-volum og deler det i hjernen, ikke-hjernevev og bakgrunnsegmenter. Det er en grafbasert metode som bruker MST til å skille 3D MRI inn i de tre regiontypene. Grafen lages av et forhåndsbehandlet 3D MRI-volum etterfulgt av konstrueringen av MST-en. Segmenteringsprosessen gir tre merkede, sammenkoblende komponenter som omformes tilbake til 3D MRI-form. Etikettene brukes til å segmentere hjernen, ikke-hjernevev og bakgrunn. Metoden ble testet på tre forskjellige offentlig tilgjengelige datasett og resultatene ble sammenlignet med ulike toppmoderne metoder.In image segmentation, an image is divided into separate objects or regions. It is an essential step in image processing to define areas of interest for further processing or analysis. The segmentation process reduces the complexity of an image to simplify the analysis of the attributes obtained after segmentation. It changes the representation of the information in the original image and presents the pixels in a way that is more meaningful and easier to understand. Image segmentation has various applications. For medical images, the segmentation process aims to extract the image data set to identify areas of the anatomy relevant to a particular study or diagnosis of the patient. For example, one can locate affected or abnormal parts of the body. Segmentation of follow-up data and baseline lesion segmentation is also very important to assess the treatment response. There are different methods used for image segmentation. They can be classified based on how they are formulated and how the segmentation process is performed. The methods include those based on threshold values, edge-based, cluster-based, model-based and hybrid methods, and methods based on machine learning and deep learning. Other methods are based on growing, splitting and merging regions, finding discontinuities in the edge, watershed segmentation, active contours and graph-based methods. In this thesis, we have developed methods for segmenting different types of medical images. We tested the methods on datasets for white blood cells (WBCs) and magnetic resonance images (MRI). The developed methods and the analysis performed on the image data set are presented in three articles. In Paper A we proposed a method for segmenting nuclei and cytoplasm from white blood cells. The method estimates the threshold for segmentation of nuclei automatically based on local minima. The method segments the WBCs before segmenting the cytoplasm depending on the complexity of the objects in the image. For images where the WBCs are well separated from red blood cells (RBCs), the WBCs are segmented by taking the average of $n$ images that were already filtered with a threshold value. For images where RBCs overlap the WBCs, the entire WBCs are segmented using simple linear iterative clustering (SLIC) and watershed methods. The cytoplasm is obtained by subtracting the segmented nucleus from the segmented WBC. The method is tested on two different publicly available datasets, and the results are compared with state of the art methods. In Paper B, we proposed a method for segmenting brain tumors based on minimum spanning tree (MST) concepts. The method performs interactive segmentation based on the MST. In this paper, the image is loaded in an interactive window for segmenting the tumor. The region of interest and the background are selected by clicking to split the MST into two trees. One of these trees represents the region of interest and the other represents the background. The proposed method was tested by segmenting two different 2D brain T1-weighted magnetic resonance image data sets. The method is simple to implement and the results indicate that it is accurate and efficient. In Paper C, we propose a method that processes a 3D MRI volume and partitions it into brain, non-brain tissues, and background segments. It is a graph-based method that uses MST to separate the 3D MRI into the brain, non-brain, and background regions. The graph is made from a preprocessed 3D MRI volume followed by constructing the MST. The segmentation process produces three labeled connected components which are reshaped back to the shape of the 3D MRI. The labels are used to segment the brain, non-brain tissues, and the background. The method was tested on three different publicly available data sets and the results were compared to different state of the art methods.Doktorgradsavhandlin

Performance Evaluation of Smart Decision Support Systems on Healthcare

Medical activity requires responsibility not only from clinical knowledge and skill but also on the management of an enormous amount of information related to patient care. It is through proper treatment of information that experts can consistently build a healthy wellness policy. The primary objective for the development of decision support systems (DSSs) is to provide information to specialists when and where they are needed. These systems provide information, models, and data manipulation tools to help experts make better decisions in a variety of situations. Most of the challenges that smart DSSs face come from the great difficulty of dealing with large volumes of information, which is continuously generated by the most diverse types of devices and equipment, requiring high computational resources. This situation makes this type of system susceptible to not recovering information quickly for the decision making. As a result of this adversity, the information quality and the provision of an infrastructure capable of promoting the integration and articulation among different health information systems (HIS) become promising research topics in the field of electronic health (e-health) and that, for this same reason, are addressed in this research. The work described in this thesis is motivated by the need to propose novel approaches to deal with problems inherent to the acquisition, cleaning, integration, and aggregation of data obtained from different sources in e-health environments, as well as their analysis. To ensure the success of data integration and analysis in e-health environments, it is essential that machine-learning (ML) algorithms ensure system reliability. However, in this type of environment, it is not possible to guarantee a reliable scenario. This scenario makes intelligent SAD susceptible to predictive failures, which severely compromise overall system performance. On the other hand, systems can have their performance compromised due to the overload of information they can support. To solve some of these problems, this thesis presents several proposals and studies on the impact of ML algorithms in the monitoring and management of hypertensive disorders related to pregnancy of risk. The primary goals of the proposals presented in this thesis are to improve the overall performance of health information systems. In particular, ML-based methods are exploited to improve the prediction accuracy and optimize the use of monitoring device resources. It was demonstrated that the use of this type of strategy and methodology contributes to a significant increase in the performance of smart DSSs, not only concerning precision but also in the computational cost reduction used in the classification process. The observed results seek to contribute to the advance of state of the art in methods and strategies based on AI that aim to surpass some challenges that emerge from the integration and performance of the smart DSSs. With the use of algorithms based on AI, it is possible to quickly and automatically analyze a larger volume of complex data and focus on more accurate results, providing high-value predictions for a better decision making in real time and without human intervention.A atividade médica requer responsabilidade não apenas com base no conhecimento e na habilidade clínica, mas também na gestão de uma enorme quantidade de informações relacionadas ao atendimento ao paciente. É através do tratamento adequado das informações que os especialistas podem consistentemente construir uma política saudável de bem-estar. O principal objetivo para o desenvolvimento de sistemas de apoio à decisão (SAD) é fornecer informações aos especialistas onde e quando são necessárias. Esses sistemas fornecem informações, modelos e ferramentas de manipulação de dados para ajudar os especialistas a tomar melhores decisões em diversas situações. A maioria dos desafios que os SAD inteligentes enfrentam advêm da grande dificuldade de lidar com grandes volumes de dados, que é gerada constantemente pelos mais diversos tipos de dispositivos e equipamentos, exigindo elevados recursos computacionais. Essa situação torna este tipo de sistemas suscetível a não recuperar a informação rapidamente para a tomada de decisão. Como resultado dessa adversidade, a qualidade da informação e a provisão de uma infraestrutura capaz de promover a integração e a articulação entre diferentes sistemas de informação em saúde (SIS) tornam-se promissores tópicos de pesquisa no campo da saúde eletrônica (e-saúde) e que, por essa mesma razão, são abordadas nesta investigação. O trabalho descrito nesta tese é motivado pela necessidade de propor novas abordagens para lidar com os problemas inerentes à aquisição, limpeza, integração e agregação de dados obtidos de diferentes fontes em ambientes de e-saúde, bem como sua análise. Para garantir o sucesso da integração e análise de dados em ambientes e-saúde é importante que os algoritmos baseados em aprendizagem de máquina (AM) garantam a confiabilidade do sistema. No entanto, neste tipo de ambiente, não é possível garantir um cenário totalmente confiável. Esse cenário torna os SAD inteligentes suscetíveis à presença de falhas de predição que comprometem seriamente o desempenho geral do sistema. Por outro lado, os sistemas podem ter seu desempenho comprometido devido à sobrecarga de informações que podem suportar. Para tentar resolver alguns destes problemas, esta tese apresenta várias propostas e estudos sobre o impacto de algoritmos de AM na monitoria e gestão de transtornos hipertensivos relacionados com a gravidez (gestação) de risco. O objetivo das propostas apresentadas nesta tese é melhorar o desempenho global de sistemas de informação em saúde. Em particular, os métodos baseados em AM são explorados para melhorar a precisão da predição e otimizar o uso dos recursos dos dispositivos de monitorização. Ficou demonstrado que o uso deste tipo de estratégia e metodologia contribui para um aumento significativo do desempenho dos SAD inteligentes, não só em termos de precisão, mas também na diminuição do custo computacional utilizado no processo de classificação. Os resultados observados buscam contribuir para o avanço do estado da arte em métodos e estratégias baseadas em inteligência artificial que visam ultrapassar alguns desafios que advêm da integração e desempenho dos SAD inteligentes. Como o uso de algoritmos baseados em inteligência artificial é possível analisar de forma rápida e automática um volume maior de dados complexos e focar em resultados mais precisos, fornecendo previsões de alto valor para uma melhor tomada de decisão em tempo real e sem intervenção humana

Drawing, Handwriting Processing Analysis: New Advances and Challenges

International audienceDrawing and handwriting are communicational skills that are fundamental in geopolitical, ideological and technological evolutions of all time. drawingand handwriting are still useful in defining innovative applications in numerous fields. In this regard, researchers have to solve new problems like those related to the manner in which drawing and handwriting become an efficient way to command various connected objects; or to validate graphomotor skills as evident and objective sources of data useful in the study of human beings, their capabilities and their limits from birth to decline