Convolutional Sparse Kernel Network for Unsupervised Medical Image Analysis

The availability of large-scale annotated image datasets and recent advances in supervised deep learning methods enable the end-to-end derivation of representative image features that can impact a variety of image analysis problems. Such supervised approaches, however, are difficult to implement in the medical domain where large volumes of labelled data are difficult to obtain due to the complexity of manual annotation and inter- and intra-observer variability in label assignment. We propose a new convolutional sparse kernel network (CSKN), which is a hierarchical unsupervised feature learning framework that addresses the challenge of learning representative visual features in medical image analysis domains where there is a lack of annotated training data. Our framework has three contributions: (i) We extend kernel learning to identify and represent invariant features across image sub-patches in an unsupervised manner. (ii) We initialise our kernel learning with a layer-wise pre-training scheme that leverages the sparsity inherent in medical images to extract initial discriminative features. (iii) We adapt a multi-scale spatial pyramid pooling (SPP) framework to capture subtle geometric differences between learned visual features. We evaluated our framework in medical image retrieval and classification on three public datasets. Our results show that our CSKN had better accuracy when compared to other conventional unsupervised methods and comparable accuracy to methods that used state-of-the-art supervised convolutional neural networks (CNNs). Our findings indicate that our unsupervised CSKN provides an opportunity to leverage unannotated big data in medical imaging repositories.Comment: Accepted by Medical Image Analysis (with a new title 'Convolutional Sparse Kernel Network for Unsupervised Medical Image Analysis'). The manuscript is available from following link (https://doi.org/10.1016/j.media.2019.06.005

Trends in Computer-Aided Diagnosis Using Deep 2 Learning Techniques: A Review of Recent Studies on 3 Algorithm Development 4

With recent focus on deep neural network architectures for development of algorithms for computer-aided diagnosis (CAD), we provide a review of studies within the last 3 years (2015-2017) reported in selected top journals and conferences. 29 studies that met our inclusion criteria were reviewed to identify trends in this field and to inform future development. Studies have focused mostly on cancer-related diseases within internal medicine while diseases within gender-/age-focused fields like gynaecology/pediatrics have not received much focus. All reviewed studies employed image datasets, mostly sourced from publicly available databases (55.2%) and few based on data from human subjects (31%) and non-medical datasets (13.8%), while CNN architecture was employed in most (70%) of the studies. Confirmation of the effect of data manipulation on quality of output and adoption of multi-class rather than binary classification also require more focus. Future studies should leverage collaborations with medical experts to aid future with actual clinical testing with reporting based on some generally applicable index to enable comparison. Our next steps on plans for CAD development for osteoarthritis (OA), with plans to consider multi-class classification and comparison across deep learning approaches and unsupervised architectures were also highlighted

Unsupervised Deep Transfer Feature Learning for Medical Image Classification

The accuracy and robustness of image classification with supervised deep learning are dependent on the availability of large-scale, annotated training data. However, there is a paucity of annotated data available due to the complexity of manual annotation. To overcome this problem, a popular approach is to use transferable knowledge across different domains by: 1) using a generic feature extractor that has been pre-trained on large-scale general images (i.e., transfer-learned) but which not suited to capture characteristics from medical images; or 2) fine-tuning generic knowledge with a relatively smaller number of annotated images. Our aim is to reduce the reliance on annotated training data by using a new hierarchical unsupervised feature extractor with a convolutional auto-encoder placed atop of a pre-trained convolutional neural network. Our approach constrains the rich and generic image features from the pre-trained domain to a sophisticated representation of the local image characteristics from the unannotated medical image domain. Our approach has a higher classification accuracy than transfer-learned approaches and is competitive with state-of-the-art supervised fine-tuned methods.Comment: 4 pages, 1 figure, 3 tables, Accepted (Oral) as IEEE International Symposium on Biomedical Imaging 201

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

A Survey on Deep Learning in Medical Image Analysis

Deep learning algorithms, in particular convolutional networks, have rapidly become a methodology of choice for analyzing medical images. This paper reviews the major deep learning concepts pertinent to medical image analysis and summarizes over 300 contributions to the field, most of which appeared in the last year. We survey the use of deep learning for image classification, object detection, segmentation, registration, and other tasks and provide concise overviews of studies per application area. Open challenges and directions for future research are discussed.Comment: Revised survey includes expanded discussion section and reworked introductory section on common deep architectures. Added missed papers from before Feb 1st 201

Deep Semantic Segmentation of Natural and Medical Images: A Review

The semantic image segmentation task consists of classifying each pixel of an image into an instance, where each instance corresponds to a class. This task is a part of the concept of scene understanding or better explaining the global context of an image. In the medical image analysis domain, image segmentation can be used for image-guided interventions, radiotherapy, or improved radiological diagnostics. In this review, we categorize the leading deep learning-based medical and non-medical image segmentation solutions into six main groups of deep architectural, data synthesis-based, loss function-based, sequenced models, weakly supervised, and multi-task methods and provide a comprehensive review of the contributions in each of these groups. Further, for each group, we analyze each variant of these groups and discuss the limitations of the current approaches and present potential future research directions for semantic image segmentation.Comment: 45 pages, 16 figures. Accepted for publication in Springer Artificial Intelligence Revie