Caracterización del Edema Macular Diabético mediante análisis automático de Tomografías de Coherencia Óptica

Programa Oficial de Doctorado en Computación. 5009V01[Abstract] Diabetic Macular Edema (DME) is one of the most important complications of diabetes and a leading cause of preventable blindness in the developed countries. Among the di erent image modalities, Optical Coherence Tomography (OCT) is a non-invasive, cross-sectional and high-resolution imaging technique that is commonly used for the analysis and interpretation of many retinal structures and ocular disorders. In this way, the development of Computer-Aided Diagnosis (CAD) systems has become relevant over the recent years, facilitating and simplifying the work of the clinical specialists in many relevant diagnostic processes, replacing manual procedures that are tedious and highly time-consuming. This thesis proposes a complete methodology for the identi cation and characterization of DMEs using OCT images. To do so, the system combines and exploits di erent clinical knowledge with image processing and machine learning strategies. This automatic system is able to identify and characterize the main retinal structures and several pathological conditions that are associated with the DME disease, following the clinical classi cation of reference in the ophthalmological eld. Despite the complexity and heterogeneity of this relevant ocular pathology, the proposed system achieved satisfactory results, proving to be robust enough to be used in the daily clinical practice, helping the clinicians to produce a more accurate diagnosis and indicate adequate treatments[Resumen] El Edema Macular Diabético (EMD) es una de las complicaciones más importantes de la diabetes y una de las principales causas de ceguera prevenible en los países desarrollados. Entre las diferentes modalidades de imagen, la Tomografía de Coherencia Óptica (TCO) es una técnica de imagen no invasiva, transversal y de alta resolución que se usa comúnmente para el análisis e interpretación de múltiples estructuras retinianas y trastornos oculares. De esta manera, el desarrollo de los sistemas de Diagnóstico Asistido por Ordenador (DAO) se ha vuelto relevante en los últimos años, facilitando y simplificando el trabajo de los especialistas clínicos en muchos procesos diagnósticos relevantes, reemplazando procedimientos manuales que son tediosos y requieren mucho tiempo. Esta tesis propone una metodología completa para la identificación y caracterización de EMDs utilizando imágenes TCO. Para ello, el sistema desarrollado combina y explota diferentes conocimientos clínicos con estrategias de procesamiento de imágenes y aprendizaje automático. Este sistema automático es capaz de identificar y caracterizar las principales estructuras retinianas y diferentes afecciones patológicas asociadas con el EMD, siguiendo la clasificación clínica de referencia en el campo oftalmológico. A pesar de la complejidad de esta relevante patología ocular, el sistema propuesto logró resultados satisfactorios, demostrando ser lo sufi cientemente robusto como para ser usado en la práctica clínica diaria, ayudando a los médicos a producir diagnósticos más precisos y tratamientos más adecuados.[Resumo] O Edema Macular Diabético ( EMD) é unha das complicacións máis importantes da diabetes e unha das principais causas de cegueira prevenible nos países desenvoltos. Entre as diferentes modalidades de imaxe, a Tomografía de Coherencia Óptica ( TCO) é unha técnica de imaxe non invasiva, transversal e de alta resolución que se usa comunmente para a análise e interpretación de múltiples estruturas retinianas e trastornos oculares. Desta maneira, o desenvolvemento dos sistemas de Diagnóstico Asistido por Computador ( DAO) volveuse relevante nos últimos anos, facilitando e simplificando o traballo dos especialistas clínicos en moitos procesos diagnósticos relevantes, substituíndo procedementos manuais que son tediosos e requiren moito tempo. Esta tese propón unha metodoloxía completa para a identificación e caracterización de EMDs utilizando imaxes TCO. Para iso, o sistema desenvolto combina e explota diferentes coñecementos clínicos con estratexias de procesamento de imaxes e aprendizaxe automático. Este sistema automático é capaz de identificar e caracterizar as principais estruturas retinianas e diferentes afeccións patolóxicas asociadas co EMD, seguindo a clasificación clínica de referencia no campo oftalmolóxico. A pesar da complexidade desta relevante patoloxía ocular, o sistema proposto logrou resultados satisfactorios, demostrando ser o sufi cientemente robusto como para ser usado na práctica clínica diaria, axudando aos médicos para producir diagnósticos máis precisos e tratamentos máis adecuados

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

Políticas de Copyright de Publicações Científicas em Repositórios Institucionais: O Caso do INESC TEC

A progressiva transformação das práticas científicas, impulsionada pelo desenvolvimento das novas Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC), têm possibilitado aumentar o acesso à informação, caminhando gradualmente para uma abertura do ciclo de pesquisa. Isto permitirá resolver a longo prazo uma adversidade que se tem colocado aos investigadores, que passa pela existência de barreiras que limitam as condições de acesso, sejam estas geográficas ou financeiras. Apesar da produção científica ser dominada, maioritariamente, por grandes editoras comerciais, estando sujeita às regras por estas impostas, o Movimento do Acesso Aberto cuja primeira declaração pública, a Declaração de Budapeste (BOAI), é de 2002, vem propor alterações significativas que beneficiam os autores e os leitores. Este Movimento vem a ganhar importância em Portugal desde 2003, com a constituição do primeiro repositório institucional a nível nacional. Os repositórios institucionais surgiram como uma ferramenta de divulgação da produção científica de uma instituição, com o intuito de permitir abrir aos resultados da investigação, quer antes da publicação e do próprio processo de arbitragem (preprint), quer depois (postprint), e, consequentemente, aumentar a visibilidade do trabalho desenvolvido por um investigador e a respetiva instituição. O estudo apresentado, que passou por uma análise das políticas de copyright das publicações científicas mais relevantes do INESC TEC, permitiu não só perceber que as editoras adotam cada vez mais políticas que possibilitam o auto-arquivo das publicações em repositórios institucionais, como também que existe todo um trabalho de sensibilização a percorrer, não só para os investigadores, como para a instituição e toda a sociedade. A produção de um conjunto de recomendações, que passam pela implementação de uma política institucional que incentive o auto-arquivo das publicações desenvolvidas no âmbito institucional no repositório, serve como mote para uma maior valorização da produção científica do INESC TEC.The progressive transformation of scientific practices, driven by the development of new Information and Communication Technologies (ICT), which made it possible to increase access to information, gradually moving towards an opening of the research cycle. This opening makes it possible to resolve, in the long term, the adversity that has been placed on researchers, which involves the existence of barriers that limit access conditions, whether geographical or financial. Although large commercial publishers predominantly dominate scientific production and subject it to the rules imposed by them, the Open Access movement whose first public declaration, the Budapest Declaration (BOAI), was in 2002, proposes significant changes that benefit the authors and the readers. This Movement has gained importance in Portugal since 2003, with the constitution of the first institutional repository at the national level. Institutional repositories have emerged as a tool for disseminating the scientific production of an institution to open the results of the research, both before publication and the preprint process and postprint, increase the visibility of work done by an investigator and his or her institution. The present study, which underwent an analysis of the copyright policies of INESC TEC most relevant scientific publications, allowed not only to realize that publishers are increasingly adopting policies that make it possible to self-archive publications in institutional repositories, all the work of raising awareness, not only for researchers but also for the institution and the whole society. The production of a set of recommendations, which go through the implementation of an institutional policy that encourages the self-archiving of the publications developed in the institutional scope in the repository, serves as a motto for a greater appreciation of the scientific production of INESC TEC