Fast parameter-free region growing segmentation with application to surgical planning

In this paper, we propose a self-assessed adaptive region growing segmentation algorithm. In the context of an experimental virtual-reality surgical planning software platform, our method successfully delineates main tissues relevant for reconstructive surgery, such as fat, muscle, and bone. We rely on a self-tuning approach to deal with a great variety of imaging conditions requiring limited user intervention (one seed). The detection of the optimal parameters is managed internally using a measure of the varying contrast of the growing region, and the stopping criterion is adapted to the noise level in the dataset thanks to the sampling strategy used for the assessment function. Sampling is referred to the statistics of a neighborhood around the seed(s), so that the sampling period becomes greater when images are noisier, resulting in the acquisition of a lower frequency version of the contrast function. Validation is provided for synthetic images, as well as real CT datasets. For the CT test images, validation is referred to manual delineations for 10 cases and to subjective assessment for another 35. High values of sensitivity and specificity, as well as Dice’s coefficient and Jaccard’s index on one hand, and satisfactory subjective evaluation on the other hand, prove the robustness of our contrast-based measure, even suggesting suitability for calibration of other region-based segmentation algorithms

Comparación de un método de segmentación de tumores retroperitoneales con herramientas comerciales de uso clínico

En el presente trabajo se realiza una comparación de los resultados proporcionados por una herramienta de segmentación de tumores retroperitoneales y los resultados proporcionados por herramientas comerciales usadas habitualmente en la práctica clínica.4 volúmenes completos de TAC de diferentes pacientes con tumores retroperitoneales han sido usados para la comparación. Esta comparación se ha realizado haciendo uso de una base de datos de imágenes tumorales utilizada como verdad de referencia, que ha sido segmentada manualmente por un panel de expertos en consenso. Algunos parámetros como DICE, Jaccard, Sensibilidad han sido calculados y los resultados demuestran la validez y mejora de la herramienta propuesta sobre las herramientas de uso clínico habitualesJunta de Andalucía P11-TIC-772

Segmentación de tejidos con contornos difusos en imágenes radiológicas

En la presente tesis se han desarrollado dos algoritmos innovadores para la segmentación de tumores retroperitoneales en imágenes radiológicas en 3D, ambos basados en la metodología de relajación convexa. Un algoritmo hace uso de dos etiquetas y el otro implementa una metodología multietiquetas. Los algoritmos permiten a los oncólogos radioterápicos y cirujanos la selección semiautomática de los tumores para planificar los tratamientos radioterápicos y las cirugías, en los casos en los que fuera necesario. Los algoritmos desarrollados sólo requieren como entrada el contorno no preciso del tumor en un corte 2D del TAC. La principal novedad de los algoritmos radica en la introducción de la Distancia Acumulada de Gradiente de Volumen (DAGV) previa a la optimización. En ese sentido, la información del gradiente es introducida en el término regional junto con la información de la intensidad. El término de regularización, que penaliza la longitud del contorno, proporciona sólo una visión a nivel de vóxel y la DAGV a nivel local. La gran importancia de estos algoritmos también reside en que no se ha detectado en la literatura ningún estudio que se centre en la segmentación de este tipo de tumor, el tumor retroperitoneal. Con los dos algoritmos desarrollados se segmentaron 19 casos de TAC de pacientes reales compuestos por 275 cortes en total de tumores retroperitoneales. Los resultados se compararon con la selección manual de los mismos tumores proporcionados por un panel de expertos. Tras la evaluación se seleccionó el algoritmo de multietiquetas con una etapa de post-procesamiento usando un disco de 5 píxeles de radio como elemento estructural, por ser esta implementación la que proporcionó los mejores resultados. A continuación, se comparó el algoritmo con un banco de algoritmos de segmentación basados en metodologías de umbralización, Level-set basado en bordes [1] y Level-set basado en regiones [2] disponibles en la literatura. El algoritmo diseñado también se comparó con varios algoritmos de segmentación disponibles en aplicaciones comerciales para la planificación de radioterapia y de cirugía. En concreto, como planificador de radioterapia se comparó con el planificador Pinnacle [3] y como planificador de cirugía se comparó con VirSSPA [4-6] con los algoritmos de segmentación que tiene implementados basados en umbralización, crecimiento de regiones y crecimiento de regiones con paso adaptativo. Se evaluaron 24 parámetros relativos a la evaluación de la región, de la proximidad al contorno, del volumen y del tiempo computacional, y se compararon los resultados obtenidos con los resultados proporcionados por los diferentes algoritmos de segmentación de la literatura. El algoritmo multietiquetas diseñado obtuvo los mejores resultados en 20 de los 24 parámetros. En concreto, la segmentación proporcionada por el algoritmo multietiquetas desarrollado alcanzó unos resultados del 90% en Sensibilidad, 100% en Especificidad, 84% en PPV, 77% de coeficiente Jaccard, 100% Exactitud, 67% Conformidad, 87% de Sensibilidad ηsbl y de coeficiente Dice, 100% de Recall y 96% de Precisión, entre otros parámetros. Los cuatro parámetros en los que el algoritmo diseñado no obtuvo los mejores resultados fueron en el tiempo computacional y en el cálculo del volumen estimado a través del análisis de Bland-Altman. En estos cuatros parámetros, el algoritmo que proporcionó mejores resultados fue el de umbralización, pero con una leve mejoría respecto al algoritmo diseñado de multietiquetas. El coste computacional del algoritmo de umbralización es menor, porque el procesamiento es más simple. En cambio, aunque según el análisis de Bland-Altman el volumen resultante por el algoritmo de umbralización se asemeja más al volumen real, dichos volúmenes no solapan bien, dado que la Sensibilidad y Sensibilidad ηsbl, son mejores para el algoritmo diseñado. En relación a los algoritmos implementados en las soluciones comerciales de planificadores de radioterapia y cirugía, el algoritmo diseñado también proporcionó los mejores resultados en todos los parámetros analizados. Se evaluó también la variabilidad entre observadores en la delimitación manual de los tumores y se demostró que el algoritmo propuesto puede ayudar en casos difíciles de segmentar y que presentan diferentes lecturas, reduciendo por tanto la variabilidad en la práctica clínica. También se analizó la dependencia del algoritmo diseñado y seleccionado respecto a los parámetros de inicialización. Se demostró que el algoritmo es robusto a la inicialización. En otras palabras, con el algoritmo diseñado, la variabilidad entre usuarios debida a la segmentación manual de los tumores se reduce. Esto implica que, con el algoritmo, se les proporciona a los oncólogos radioterápicos un sistema de delimitación del volumen tumoral que posibilita el aumento de la uniformidad en el diseño de los tratamientos de radioterapia y, por tanto, la reducción en la variabilidad en la práctica clínica

Detección automática de landmarks para evaluación objetiva de la reconstrucción mamaria post-mastectomía

Este trabajo presenta un método para la detección automática de un conjunto de landmarks o puntos de referencia (escotadura supraesternal, axilas, pezones y surco submamario) útiles para la evaluación de la reconstrucción mamaria post-mastectomía a partir de imágenes clínicas. Este método está basado en el análisis morfológico y de la iluminación, así como en el algoritmo de Dijkstra. Se ha llevado a cabo una evaluación del método desarrollado en términos de precisión y rendimiento sobre un conjunto de 21 imágenes. El método propuesto presenta una buena precisión en general, aunque aún hay margen de mejora para la detección de algunas de las landmarks. El rendimiento está condicionado por el tiempo de Actualmente, cirujanos, médicos y pacientes a menudo evalúan la simetría y proporcionalidad de la reconstrucción de forma subjetiva y cualitativa [3]. Sin embargo, estos métodos son altamente dependientes de la variabilidad inter e intra-observador, y su naturaleza cualitativa limita posteriores análisis. Los métodos cuantitativos actuales tienen en cuenta medidas antropométricas [4], bidimensionales [5-6] o tridimensionales [7-8]. Los resultados estéticos satisfactorios están relacionados con la forma y tamaño de la mama, así como con su ejecución, que depende del tamaño de la imagen. En el caso de que se desee utilizar este método para programas de cribado, se recomienda trabajar con un tamaño de imagen de 100 píxeles de alto.Junta de Andalucía PI-0223/201

Image processing in medicine advances for phenotype characterization, computer-assisted diagnosis and surgical planning

En esta Tesis presentamos nuestras contribuciones al estado del arte en procesamiento digital de imágenes médicas, articulando nuestra exposición en torno a los tres principales objetivos de la adquisición de imágenes en medicina: la prevención, el diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades. La prevención de la enfermedad se puede conseguir a veces mediante una caracterización cuidadosa de los fenotipos propios de la misma. Tal caracterización a menudo se alcanza a partir de imágenes. Presentamos nuestro trabajo en caracterización del enfisema pulmonar a partir de imágenes TAC (Tomografía Axial Computerizada) de tórax en alta resolución, a través del análisis de las texturas locales de la imagen. Nos proponemos llenar el vacío existente entre la práctica clínica actual, y las sofisticadas pero costosas técnicas de caracterización de regiones texturadas, disponibles en la literatura. Lo hacemos utilizando la distribución local de intensidades como un descriptor adecuado para determinar el grado de destrucción de tejido en pulmones enfisematosos. Se presentan interesantes resultados derivados del análisis de varios cientos de imágenes para niveles variables de severidad de la enfermedad, sugiriendo tanto la validez de nuestras hipótesis, como la pertinencia de este tipo de análisis para la comprensión de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica. El procesado de imágenes médicas también puede asistir en el diagnóstico y detección de enfermedades. Presentamos nuestras contribuciones a este campo, que consisten en técnicas de segmentación y cuantificación de imágenes dermatoscópicas de lesiones de la piel. La segmentación se obtiene mediante un novedoso algoritmo basado en contornos activos que explota al máximo el contenido cromático de las imágenes, gracias a la maximización de la discrepancia mediante comparaciones cross-bin. La cuantificación de texturas en lesiones melanocíticas se lleva a cabo utilizando un modelado de los patrones de pigmentación basado en campos aleatorios de Markov, en un esfuerzo por adoptar la tendencia emergente en dermatología: la detección de la malignidad mediante el análisis de la irregularidad de la textura. Los resultados para ambas técnicas son validados con un conjunto significativo de imágenes dermatológicas, sugiriendo líneas interesantes para la detección automática del melanoma maligno. Cuando la enfermedad ya está presente, el tratamiento digital de imágenes puede asistir en la planificación quirúrgica y la intervención guiada por imagen. La planificación terapeútica, ejemplicada por la planificación de cirugía plástica usando realidad virtual, se aborda en nuestro trabajo en segmentación de hueso/grasa/músculo en imágenes TAC. Usando un abordaje interactivo e incremental, nuestro sistema permite obtener segmentaciones precisas a partir de unos cuantos clics de ratón para una gran variedad de condiciones de adquisición y frente a anatomícas anormales. Presentamos nuestra metodología, y nuestra validación experimental profusa basada tanto en segmentaciones manuales como en valoraciones subjetivas de los usuarios, e indicamos referencias al lector que detallan los beneficios obtenidos con el uso de la plataforma de planifificación que utiliza nuestro algoritmo. Como conclusión presentamos una disertación final sobre la importancia de nuestros resultados y las líneas probables de trabajo futuro hacía el objetivo último de mejorar el cuidado de la salud mediante técnicas de tratamiento digital de imágenes médicas.In this Thesis we present our contributions to the state-of-the-art in medical image processing, articulating our exposition around the three main roles of medical imaging: disease prevention, diagnosis and treatment. Disease prevention can sometimes be achieved by proper characterization of disease phenotypes. Such characterization is often attained from the standpoint of imaging. We present our work in characterization of emphysema from highresolution computed-tomography images via quanti_cation of local texture. We propose to _ll the gap between current clinical practice and sophisticated texture approaches by the use of local intensity distributions as an adequate descriptor for the degree of tissue destruction in the emphysematous lung. Interesting results are presented from the analysis of several hundred datasets of lung CT for varying disease severity, suggesting both the correctness of our hypotheses and the pertinence of _ne emphysema quanti_cation for understanding of chronic obstructive pulmonary disease. Medical image processing can also assist in the diagnosis and detection of disease. We introduce our contributions to this_eld, consisting of segmentation and quanti_cation techniques in application to dermatoscopy images of skin lesions. Segmentation is achieved via a novel active contour algorithm that fully exploits the color content of the images, via cross-bin histogram dissimilarity maximization. Texture quanti_cation in the context of melanocytic lesions is performed using modelization of the pigmentation patterns via Markov random elds, in an e_ort to embrace the emerging trend in dermatology: malignancy assessment based on texture irregularity analysis. Experimental results for both, the segmentation and quanti_cation proposed techniques, will be validated on a signi_cant set of dermatoscopy images, suggesting interesting pathways towards automatic detection and diagnosis of malignant melanoma. Once disease has occurred, image processing can assist in therapeutical planning and image-guided intervention. Therapeutical planning, exempli_ed by virtual reality surgical planning, is tackled by our work in segmentation of bone/fat/muscle in CT images for plastic surgery planning. Using an interactive, incremental approach, our system is able to provide accurate segmentations based on a couple of mouse-clicks for a wide variety of imaging conditions and abnormal anatomies. We present our methodology, and provide profuse experimental validation based on manual segmentations and subjective assessment, and refer the reader to related work reporting on the clinical bene_ts obtained using the virtual reality platform hosting our algorithm. As a conclusion we present a _nal dissertation on the signi_cance of our results and the probable lines of future work towards fully bene_tting healthcare using medical image processing

Alotrasplante de tejido compuesto facial. Bases experimentales, estudio preclínico en cadáveres y su aplicación clínica en el humano

Texto completo descargado desde TeseoUno de los grandes retos de la Cirugía plástica y reparadora es el tratamiento de las graves secuelas faciales secundarias a traumatismos, cirugía previas, patología tumoral, malformaciones vasculares o de etiología congénita. A pesar del arsenal terapeutico existente en la actualidad, hay un grupo de pacientes que, debido a la severidad de las secuelas faciales que presentan, no son candidatos a este tipo de tratamientos quirúrgicos. El trasplante de tejidos compuestos en el área facial (trasplante de cara) ha venido a suplir esta carencia. Aunque considerado actualmente como un tratamiento experimental, ya son 24 los trasplantes de cara realizados hasta la actualidad. Mediante esta tesis pretendemos llevar a cabo varios objetivos: 1. Realizar una revisión bibliográfica sistemática y un estudio comparativo de las publicaciones del trasplante de cara en el periodo comprendido entre Enero del 2000 y Junio del 2014. 2. Llevar a cabo un estudio comparativo de los casos clínicos descritos en la literatura hasta la fecha de trasplante de cara, basándonos en publicaciones indexadas, resúmenes y actas de congresos, páginas webs sanitarias y artículos periodísticos. 3. Estudiar las bases anatómicas de diversos modelos de aloinjertos de tejidos compuestos faciales, cuáles son sus componentes cutáneos, musculares, nerviosos y vasculares en piezas cadavéricas criopreservadas y sus variaciones anatómicas en una muestra representativa de especímenes anatómicos. Valorar su viabilidad anatómica y la posible aplicación clínica de los diferentes modelos para la cirugía reconstructiva de los pacientes con severas desfiguraciones en el territorio facial. 4. Describir la técnica quirúrgica real empleada en un trasplante facial, tanto en el donante, como el receptor y la monitorización del rechazo. 5. Incorporación de una herramienta informática de ayuda en el diseño digital de los modelos de aloinjertos para la reconstrucción de defectos faciales severos mediante microcirugía reconstructiva. 6. Validar un software de realidad virtual para el registro de las medidas antropométricas, como un primer paso hacia la búsqueda y caracterización de donantes con receptores en el proceso de planificación preoperatoria que precede a la extracción de un trasplante de tejidos faciales. 7. Análisis de la tecnología de digitalización de imágenes mediante el uso de la realidad virtual VirSSPA como ayuda en la toma de decisiones para la elección del donante, planificación y optimización de la intervención quirúrgica aplicadas al ATC facial. 8. Introducción de las técnicas de digitalización 3D en nuestro protocolo de planificación quirúrgica mediante realidad virtual. Integración de un nuevo módulo que las contemple en la aplicación VirSSPA y, como una línea de innovación complementaria, la obtención de plantillas tridimensionales mediante técnicas de prototipado rápido aplicadas a la cirugía del contorno corporal en cirugía reconstructiva. Además de estos objetivos, se realizará una descripción pormenorizada del trasplante facial realizado en el Servicio de Cirugía Plástica del Hospital Virgen de Rocío, que significó la culminación del estudio experimental y preclínico de esta tesis. RESULTADOS. En el periodo de estudio se han publicado un total de 192 artículos, constatándose un aumento progresivo de las publicaciones a partir del año 2006. Hasta la fecha, sólo se han publicado en la literatura resultados detallados de 18 casos. Existe una variación en los protocolos de selección de los pacientes de cada uno de los grupos de trabajo así como en las características del donante, los componentes del aloinjerto de tejido facial, la secuencia del acto quirúrgico, inmunoterapia y los criterios de monitorización del rechazo inmunológico han sido diferentes en algunos aspectos. El estudio estadístico de los valores recogidos de forma analógica y digital en cada uno de los especímenes cadavéricos por los tres observadores independientes, reveló que los Coeficientes de Correlación Interclase (ICC) calculados fueron >0,6 (correlación sustancial o casi perfecta) para la totalidad de los pares de variables, con la excepción de 2 de las mediciones recogidas en el tejido óseo. Además se alcanzaron valores del ICC>0,8 hasta en 6 de las medidas antropométricas estudiadas. El 26 de enero de 2010, se realizó en Sevilla un trasplante de tejido facial compuesto (ATC) extraído a partir de un donante a corazón parado, que comenzó poco después de la donación del corazón y los pulmones. Los componentes osteomiocutáneos del ATC de cara contenían desde la piel hasta el periostio de los dos tercios inferiores de la cara. El receptor, un hombre de raza caucásica de 35 años de edad, de Sevilla, España, recibió el ATC después de la resección radical de neurofibromas plexiformes masivos bilaterales. El procedimiento de reconstrucción se inició mediante la conexión microquirúrgica del trasplante con carácter heterotópico provisional a los vasos femorales del receptor con el objeto de minimizar los tiempos de isquemia, hasta completar la resección de los neurofibromas faciales. Durante la intervención, el paciente experimentó una considerable pérdida de sangre, precisando la transfusión de 24 unidades de concentrado de hematíes. Fue necesaria una revisión quirúrgica en el día 7 para eliminar un hematoma extenso en el lado derecho del ATC. El régimen inmunosupresor de mantenimiento incluyó esteroides, micofenolato mofetilo y tacrolimus. CONCLUSIONES. El protocolo descrito en este estudio, así como la experiencia clínica acumulada ha demostrado la viabilidad del trasplante facial como opción reconstructiva, si bien se sigue considerando un procedimiento experimental del que todavía quedan aspectos por resolver. Los resultados indican que desde el punto de vista clínico, técnico e inmunológico, los trasplantes faciales han logrado la rehabilitación funcional, estética y social en pacientes con graves secuelas en la cara. En el trasplante facial, la planificación preoperatoria es fundamental para seleccionar un aloinjerto cuya compatibilidad anatómica con el defecto del receptor sea lo más exacta posible. Las dimensiones de la cara del potencial donante deben ser congruentes para asegurar la viabilidad del procedimiento y la inserción adecuada del aloinjerto en el defecto. La obtención de las mediciones antropométricas con el software de realidad virtual muestra una correlación equivalente a las producidas usando un método análogico convencional. Las reconstrucciones 3D obtenidas mediante el uso de un software de realidad virtual pueden desempeñar un papel útil para facilitar la caracterización de la cara del donante.El procedimiento del trasplante heterotópico provisional ha demostrado ser un procedimiento fiable para facilitar la extracción de un ATC facial de un donante cadáver, que reduce el tiempo de isquemia perioperatoria, que permite hacer un trabajo de banco del ATC y, finalmente, evita el rechazo hiperagudo del trasplante

XXIV congreso anual de la sociedad española de ingeniería biomédica (CASEIB2016)

En la presente edición, más de 150 trabajos de alto nivel científico van a ser presentados en 18 sesiones paralelas y 3 sesiones de póster, que se centrarán en áreas relevantes de la Ingeniería Biomédica. Entre las sesiones paralelas se pueden destacar la sesión plenaria Premio José María Ferrero Corral y la sesión de Competición de alumnos de Grado en Ingeniería Biomédica, con la participación de 16 alumnos de los Grados en Ingeniería Biomédica a nivel nacional. El programa científico se complementa con dos ponencias invitadas de científicos reconocidos internacionalmente, dos mesas redondas con una importante participación de sociedades científicas médicas y de profesionales de la industria de tecnología médica, y dos actos sociales que permitirán a los participantes acercarse a la historia y cultura valenciana. Por primera vez, en colaboración con FENIN, seJane Campos, R. (2017). XXIV congreso anual de la sociedad española de ingeniería biomédica (CASEIB2016). Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/79277EDITORIA