Incorporating Colour Information for Computer-Aided Diagnosis of Melanoma from Dermoscopy Images: A Retrospective Survey and Critical Analysis

Cutaneous melanoma is the most life-threatening form of skin cancer. Although advanced melanoma is often considered as incurable, if detected and excised early, the prognosis is promising. Today, clinicians use computer vision in an increasing number of applications to aid early detection of melanoma through dermatological image analysis (dermoscopy images, in particular). Colour assessment is essential for the clinical diagnosis of skin cancers. Due to this diagnostic importance, many studies have either focused on or employed colour features as a constituent part of their skin lesion analysis systems. These studies range from using low-level colour features, such as simple statistical measures of colours occurring in the lesion, to availing themselves of high-level semantic features such as the presence of blue-white veil, globules, or colour variegation in the lesion. This paper provides a retrospective survey and critical analysis of contributions in this research direction

The role of AI classifiers in skin cancer images

Background: The use of different imaging modalities to assist in skin cancer diagnosis is a common practice in clinical scenarios. Different features representative of the lesion under evaluation can be retrieved from image analysis and processing. However, the integration and understanding of these additional parameters can be a challenging task for physicians, so artificial intelligence (AI) methods can be implemented to assist in this process. This bibliographic research was performed with the goal of assessing the current applications of AI algorithms as an assistive tool in skin cancer diagnosis, based on information retrieved from different imaging modalities. Materials and methods: The bibliography databases ISI Web of Science, PubMed and Scopus were used for the literature search, with the combination of keywords: skin cancer, skin neoplasm, imaging and classification methods. Results: The search resulted in 526 publications, which underwent a screening process, considering the established eligibility criteria. After screening, only 65 were qualified for revision. Conclusion: Different imaging modalities have already been coupled with AI methods, particularly dermoscopy for melanoma recognition. Learners based on support vector machines seem to be the preferred option. Future work should focus on image analysis, processing stages and image fusion assuring the best possible classification outcome.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

High-Level Intuitive Features (HLIFs) for Melanoma Detection

Feature extraction of segmented skin lesions is a pivotal step for implementing accurate decision support systems. Existing feature sets combine many ad-hoc calculations and are unable to easily provide intuitive diagnostic reasoning. This thesis presents the design and evaluation of a set of features for objectively detecting melanoma in an intuitive and accurate manner. We call these "high-level intuitive features" (HLIFs). The current clinical standard for detecting melanoma, the deadliest form of skin cancer, is visual inspection of the skin's surface. A widely adopted rule for detecting melanoma is the "ABCD" rule, whereby the doctor identifies the presence of Asymmetry, Border irregularity, Colour patterns, and Diameter. The adoption of specialized medical devices for this cause is extremely slow due to the added temporal and financial burden. Therefore, recent research efforts have focused on detection support systems that analyse images acquired with standard consumer-grade camera images of skin lesions. The central benefit of these systems is the provision of technology with low barriers to adoption. Recently proposed skin lesion feature sets have been large sets of low-level features attempting to model the widely adopted ABCD criteria of melanoma. These result in high-dimensional feature spaces, which are computationally expensive and sparse due to the lack of available clinical data. It is difficult to convey diagnostic rationale using these feature sets due to their inherent ad-hoc mathematical nature. This thesis presents and applies a generic framework for designing HLIFs for decision support systems relying on intuitive observations. By definition, a HLIF is designed explicitly to model a human-observable characteristic such that the feature score can be intuited by the user. Thus, along with the classification label, visual rationale can be provided to further support the prediction. This thesis applies the HLIF framework to design 10 HLIFs for skin cancer detection, following the ABCD rule. That is, HLIFs modeling asymmetry, border irregularity, and colour patterns are presented. This thesis evaluates the effectiveness of HLIFs in a standard classification setting. Using publicly-available images obtained in unconstrained environments, the set of HLIFs is compared with and against a recently published low-level feature set. Since the focus is on evaluating the features, illumination correction and manually-defined segmentations are used, along with a linear classification scheme. The promising results indicate that HLIFs capture more relevant information than low-level features, and that concatenating the HLIFs to the low-level feature set results in improved accuracy metrics. Visual intuitive information is provided to indicate the ability of providing intuitive diagnostic reasoning to the user

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