DiffInfinite: Large Mask-Image Synthesis via Parallel Random Patch Diffusion in Histopathology

We present DiffInfinite, a hierarchical diffusion model that generates arbitrarily large histological images while preserving long-range correlation structural information. Our approach first generates synthetic segmentation masks, subsequently used as conditions for the high-fidelity generative diffusion process. The proposed sampling method can be scaled up to any desired image size while only requiring small patches for fast training. Moreover, it can be parallelized more efficiently than previous large-content generation methods while avoiding tiling artefacts. The training leverages classifier-free guidance to augment a small, sparsely annotated dataset with unlabelled data. Our method alleviates unique challenges in histopathological imaging practice: large-scale information, costly manual annotation, and protective data handling. The biological plausibility of DiffInfinite data is validated in a survey by ten experienced pathologists as well as a downstream segmentation task. Furthermore, the model scores strongly on anti-copying metrics which is beneficial for the protection of patient data

Medical image synthesis using generative adversarial networks: towards photo-realistic image synthesis

This proposed work addresses the photo-realism for synthetic images. We introduced a modified generative adversarial network: StencilGAN. It is a perceptually-aware generative adversarial network that synthesizes images based on overlaid labelled masks. This technique can be a prominent solution for the scarcity of the resources in the healthcare sector

From Fully-Supervised Single-Task to Semi-Supervised Multi-Task Deep Learning Architectures for Segmentation in Medical Imaging Applications

Medical imaging is routinely performed in clinics worldwide for the diagnosis and treatment of numerous medical conditions in children and adults. With the advent of these medical imaging modalities, radiologists can visualize both the structure of the body as well as the tissues within the body. However, analyzing these high-dimensional (2D/3D/4D) images demands a significant amount of time and effort from radiologists. Hence, there is an ever-growing need for medical image computing tools to extract relevant information from the image data to help radiologists perform efficiently. Image analysis based on machine learning has pivotal potential to improve the entire medical imaging pipeline, providing support for clinical decision-making and computer-aided diagnosis. To be effective in addressing challenging image analysis tasks such as classification, detection, registration, and segmentation, specifically for medical imaging applications, deep learning approaches have shown significant improvement in performance. While deep learning has shown its potential in a variety of medical image analysis problems including segmentation, motion estimation, etc., generalizability is still an unsolved problem and many of these successes are achieved at the cost of a large pool of datasets. For most practical applications, getting access to a copious dataset can be very difficult, often impossible. Annotation is tedious and time-consuming. This cost is further amplified when annotation must be done by a clinical expert in medical imaging applications. Additionally, the applications of deep learning in the real-world clinical setting are still limited due to the lack of reliability caused by the limited prediction capabilities of some deep learning models. Moreover, while using a CNN in an automated image analysis pipeline, it’s critical to understand which segmentation results are problematic and require further manual examination. To this extent, the estimation of uncertainty calibration in a semi-supervised setting for medical image segmentation is still rarely reported. This thesis focuses on developing and evaluating optimized machine learning models for a variety of medical imaging applications, ranging from fully-supervised, single-task learning to semi-supervised, multi-task learning that makes efficient use of annotated training data. The contributions of this dissertation are as follows: (1) developing a fully-supervised, single-task transfer learning for the surgical instrument segmentation from laparoscopic images; and (2) utilizing supervised, single-task, transfer learning for segmenting and digitally removing the surgical instruments from endoscopic/laparoscopic videos to allow the visualization of the anatomy being obscured by the tool. The tool removal algorithms use a tool segmentation mask and either instrument-free reference frames or previous instrument-containing frames to fill in (inpaint) the instrument segmentation mask; (3) developing fully-supervised, single-task learning via efficient weight pruning and learned group convolution for accurate left ventricle (LV), right ventricle (RV) blood pool and myocardium localization and segmentation from 4D cine cardiac MR images; (4) demonstrating the use of our fully-supervised memory-efficient model to generate dynamic patient-specific right ventricle (RV) models from cine cardiac MRI dataset via an unsupervised learning-based deformable registration field; and (5) integrating a Monte Carlo dropout into our fully-supervised memory-efficient model with inherent uncertainty estimation, with the overall goal to estimate the uncertainty associated with the obtained segmentation and error, as a means to flag regions that feature less than optimal segmentation results; (6) developing semi-supervised, single-task learning via self-training (through meta pseudo-labeling) in concert with a Teacher network that instructs the Student network by generating pseudo-labels given unlabeled input data; (7) proposing largely-unsupervised, multi-task learning to demonstrate the power of a simple combination of a disentanglement block, variational autoencoder (VAE), generative adversarial network (GAN), and a conditioning layer-based reconstructor for performing two of the foremost critical tasks in medical imaging — segmentation of cardiac structures and reconstruction of the cine cardiac MR images; (8) demonstrating the use of 3D semi-supervised, multi-task learning for jointly learning multiple tasks in a single backbone module – uncertainty estimation, geometric shape generation, and cardiac anatomical structure segmentation of the left atrial cavity from 3D Gadolinium-enhanced magnetic resonance (GE-MR) images. This dissertation summarizes the impact of the contributions of our work in terms of demonstrating the adaptation and use of deep learning architectures featuring different levels of supervision to build a variety of image segmentation tools and techniques that can be used across a wide spectrum of medical image computing applications centered on facilitating and promoting the wide-spread computer-integrated diagnosis and therapy data science

Fundus image analysis for automatic screening of ophthalmic pathologies

En los ultimos años el número de casos de ceguera se ha reducido significativamente. A pesar de este hecho, la Organización Mundial de la Salud estima que un 80% de los casos de pérdida de visión (285 millones en 2010) pueden ser evitados si se diagnostican en sus estadios más tempranos y son tratados de forma efectiva. Para cumplir esta propuesta se pretende que los servicios de atención primaria incluyan un seguimiento oftalmológico de sus pacientes así como fomentar campañas de cribado en centros proclives a reunir personas de alto riesgo. Sin embargo, estas soluciones exigen una alta carga de trabajo de personal experto entrenado en el análisis de los patrones anómalos propios de cada enfermedad. Por lo tanto, el desarrollo de algoritmos para la creación de sistemas de cribado automáticos juga un papel vital en este campo. La presente tesis persigue la identificacion automática del daño retiniano provocado por dos de las patologías más comunes en la sociedad actual: la retinopatía diabética (RD) y la degenaración macular asociada a la edad (DMAE). Concretamente, el objetivo final de este trabajo es el desarrollo de métodos novedosos basados en la extracción de características de la imagen de fondo de ojo y clasificación para discernir entre tejido sano y patológico. Además, en este documento se proponen algoritmos de pre-procesado con el objetivo de normalizar la alta variabilidad existente en las bases de datos publicas de imagen de fondo de ojo y eliminar la contribución de ciertas estructuras retinianas que afectan negativamente en la detección del daño retiniano. A diferencia de la mayoría de los trabajos existentes en el estado del arte sobre detección de patologías en imagen de fondo de ojo, los métodos propuestos a lo largo de este manuscrito evitan la necesidad de segmentación de las lesiones o la generación de un mapa de candidatos antes de la fase de clasificación. En este trabajo, Local binary patterns, perfiles granulométricos y la dimensión fractal se aplican de manera local para extraer información de textura, morfología y tortuosidad de la imagen de fondo de ojo. Posteriormente, esta información se combina de diversos modos formando vectores de características con los que se entrenan avanzados métodos de clasificación formulados para discriminar de manera óptima entre exudados, microaneurismas, hemorragias y tejido sano. Mediante diversos experimentos, se valida la habilidad del sistema propuesto para identificar los signos más comunes de la RD y DMAE. Para ello se emplean bases de datos públicas con un alto grado de variabilidad sin exlcuir ninguna imagen. Además, la presente tesis también cubre aspectos básicos del paradigma de deep learning. Concretamente, se presenta un novedoso método basado en redes neuronales convolucionales (CNNs). La técnica de transferencia de conocimiento se aplica mediante el fine-tuning de las arquitecturas de CNNs más importantes en el estado del arte. La detección y localización de exudados mediante redes neuronales se lleva a cabo en los dos últimos experimentos de esta tesis doctoral. Cabe destacar que los resultados obtenidos mediante la extracción de características "manual" y posterior clasificación se comparan de forma objetiva con las predicciones obtenidas por el mejor modelo basado en CNNs. Los prometedores resultados obtenidos en esta tesis y el bajo coste y portabilidad de las cámaras de adquisión de imagen de retina podrían facilitar la incorporación de los algoritmos desarrollados en este trabajo en un sistema de cribado automático que ayude a los especialistas en la detección de patrones anomálos característicos de las dos enfermedades bajo estudio: RD y DMAE.In last years, the number of blindness cases has been significantly reduced. Despite this promising news, the World Health Organisation estimates that 80% of visual impairment (285 million cases in 2010) could be avoided if diagnosed and treated early. To accomplish this purpose, eye care services need to be established in primary health and screening campaigns should be a common task in centres with people at risk. However, these solutions entail a high workload for trained experts in the analysis of the anomalous patterns of each eye disease. Therefore, the development of algorithms for automatic screening system plays a vital role in this field. This thesis focuses on the automatic identification of the retinal damage provoked by two of the most common pathologies in the current society: diabetic retinopathy (DR) and age-related macular degeneration (AMD). Specifically, the final goal of this work is to develop novel methods, based on fundus image description and classification, to characterise the healthy and abnormal tissue in the retina background. In addition, pre-processing algorithms are proposed with the aim of normalising the high variability of fundus images and removing the contribution of some retinal structures that could hinder in the retinal damage detection. In contrast to the most of the state-of-the-art works in damage detection using fundus images, the methods proposed throughout this manuscript avoid the necessity of lesion segmentation or the candidate map generation before the classification stage. Local binary patterns, granulometric profiles and fractal dimension are locally computed to extract texture, morphological and roughness information from retinal images. Different combinations of this information feed advanced classification algorithms formulated to optimally discriminate exudates, microaneurysms, haemorrhages and healthy tissues. Through several experiments, the ability of the proposed system to identify DR and AMD signs is validated using different public databases with a large degree of variability and without image exclusion. Moreover, this thesis covers the basics of the deep learning paradigm. In particular, a novel approach based on convolutional neural networks is explored. The transfer learning technique is applied to fine-tune the most important state-of-the-art CNN architectures. Exudate detection and localisation tasks using neural networks are carried out in the last two experiments of this thesis. An objective comparison between the hand-crafted feature extraction and classification process and the prediction models based on CNNs is established. The promising results of this PhD thesis and the affordable cost and portability of retinal cameras could facilitate the further incorporation of the developed algorithms in a computer-aided diagnosis (CAD) system to help specialists in the accurate detection of anomalous patterns characteristic of the two diseases under study: DR and AMD.En els últims anys el nombre de casos de ceguera s'ha reduït significativament. A pesar d'este fet, l'Organització Mundial de la Salut estima que un 80% dels casos de pèrdua de visió (285 milions en 2010) poden ser evitats si es diagnostiquen en els seus estadis més primerencs i són tractats de forma efectiva. Per a complir esta proposta es pretén que els servicis d'atenció primària incloguen un seguiment oftalmològic dels seus pacients així com fomentar campanyes de garbellament en centres regentats per persones d'alt risc. No obstant això, estes solucions exigixen una alta càrrega de treball de personal expert entrenat en l'anàlisi dels patrons anòmals propis de cada malaltia. Per tant, el desenrotllament d'algoritmes per a la creació de sistemes de garbellament automàtics juga un paper vital en este camp. La present tesi perseguix la identificació automàtica del dany retiniano provocat per dos de les patologies més comunes en la societat actual: la retinopatia diabètica (RD) i la degenaración macular associada a l'edat (DMAE) . Concretament, l'objectiu final d'este treball és el desenrotllament de mètodes novedodos basats en l'extracció de característiques de la imatge de fons d'ull i classificació per a discernir entre teixit sa i patològic. A més, en este document es proposen algoritmes de pre- processat amb l'objectiu de normalitzar l'alta variabilitat existent en les bases de dades publiques d'imatge de fons d'ull i eliminar la contribució de certes estructures retinianas que afecten negativament en la detecció del dany retiniano. A diferència de la majoria dels treballs existents en l'estat de l'art sobre detecció de patologies en imatge de fons d'ull, els mètodes proposats al llarg d'este manuscrit eviten la necessitat de segmentació de les lesions o la generació d'un mapa de candidats abans de la fase de classificació. En este treball, Local binary patterns, perfils granulometrics i la dimensió fractal s'apliquen de manera local per a extraure informació de textura, morfologia i tortuositat de la imatge de fons d'ull. Posteriorment, esta informació es combina de diversos modes formant vectors de característiques amb els que s'entrenen avançats mètodes de classificació formulats per a discriminar de manera òptima entre exsudats, microaneurismes, hemorràgies i teixit sa. Per mitjà de diversos experiments, es valida l'habilitat del sistema proposat per a identificar els signes més comuns de la RD i DMAE. Per a això s'empren bases de dades públiques amb un alt grau de variabilitat sense exlcuir cap imatge. A més, la present tesi també cobrix aspectes bàsics del paradigma de deep learning. Concretament, es presenta un nou mètode basat en xarxes neuronals convolucionales (CNNs) . La tècnica de transferencia de coneixement s'aplica per mitjà del fine-tuning de les arquitectures de CNNs més importants en l'estat de l'art. La detecció i localització d'exudats per mitjà de xarxes neuronals es du a terme en els dos últims experiments d'esta tesi doctoral. Cal destacar que els resultats obtinguts per mitjà de l'extracció de característiques "manual" i posterior classificació es comparen de forma objectiva amb les prediccions obtingudes pel millor model basat en CNNs. Els prometedors resultats obtinguts en esta tesi i el baix cost i portabilitat de les cambres d'adquisión d'imatge de retina podrien facilitar la incorporació dels algoritmes desenrotllats en este treball en un sistema de garbellament automàtic que ajude als especialistes en la detecció de patrons anomálos característics de les dos malalties baix estudi: RD i DMAE.Colomer Granero, A. (2018). Fundus image analysis for automatic screening of ophthalmic pathologies [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/99745TESI