Computational Analysis of Fundus Images: Rule-Based and Scale-Space Models

Fundus images are one of the most important imaging examinations in modern ophthalmology because they are simple, inexpensive and, above all, noninvasive. Nowadays, the acquisition and storage of highresolution fundus images is relatively easy and fast. Therefore, fundus imaging has become a fundamental investigation in retinal lesion detection, ocular health monitoring and screening programmes. Given the large volume and clinical complexity associated with these images, their analysis and interpretation by trained clinicians becomes a timeconsuming task and is prone to human error. Therefore, there is a growing interest in developing automated approaches that are affordable and have high sensitivity and specificity. These automated approaches need to be robust if they are to be used in the general population to diagnose and track retinal diseases. To be effective, the automated systems must be able to recognize normal structures and distinguish them from pathological clinical manifestations. The main objective of the research leading to this thesis was to develop automated systems capable of recognizing and segmenting retinal anatomical structures and retinal pathological clinical manifestations associated with the most common retinal diseases. In particular, these automated algorithms were developed on the premise of robustness and efficiency to deal with the difficulties and complexity inherent in these images. Four objectives were considered in the analysis of fundus images. Segmentation of exudates, localization of the optic disc, detection of the midline of blood vessels, segmentation of the vascular network and detection of microaneurysms. In addition, we also evaluated the detection of diabetic retinopathy on fundus images using the microaneurysm detection method. An overview of the state of the art is presented to compare the performance of the developed approaches with the main methods described in the literature for each of the previously described objectives. To facilitate the comparison of methods, the state of the art has been divided into rulebased methods and machine learningbased methods. In the research reported in this paper, rulebased methods based on image processing methods were preferred over machine learningbased methods. In particular, scalespace methods proved to be effective in achieving the set goals. Two different approaches to exudate segmentation were developed. The first approach is based on scalespace curvature in combination with the local maximum of a scalespace blob detector and dynamic thresholds. The second approach is based on the analysis of the distribution function of the maximum values of the noise map in combination with morphological operators and adaptive thresholds. Both approaches perform a correct segmentation of the exudates and cope well with the uneven illumination and contrast variations in the fundus images. Optic disc localization was achieved using a new technique called cumulative sum fields, which was combined with a vascular enhancement method. The algorithm proved to be reliable and efficient, especially for pathological images. The robustness of the method was tested on 8 datasets. The detection of the midline of the blood vessels was achieved using a modified corner detector in combination with binary philtres and dynamic thresholding. Segmentation of the vascular network was achieved using a new scalespace blood vessels enhancement method. The developed methods have proven effective in detecting the midline of blood vessels and segmenting vascular networks. The microaneurysm detection method relies on a scalespace microaneurysm detection and labelling system. A new approach based on the neighbourhood of the microaneurysms was used for labelling. Microaneurysm detection enabled the assessment of diabetic retinopathy detection. The microaneurysm detection method proved to be competitive with other methods, especially with highresolution images. Diabetic retinopathy detection with the developed microaneurysm detection method showed similar performance to other methods and human experts. The results of this work show that it is possible to develop reliable and robust scalespace methods that can detect various anatomical structures and pathological features of the retina. Furthermore, the results obtained in this work show that although recent research has focused on machine learning methods, scalespace methods can achieve very competitive results and typically have greater independence from image acquisition. The methods developed in this work may also be relevant for the future definition of new descriptors and features that can significantly improve the results of automated methods.As imagens do fundo do olho são hoje um dos principais exames imagiológicos da oftalmologia moderna, pela sua simplicidade, baixo custo e acima de tudo pelo seu carácter nãoinvasivo. A aquisição e armazenamento de imagens do fundo do olho com alta resolução é também relativamente simples e rápida. Desta forma, as imagens do fundo do olho são um exame fundamental na identificação de alterações retinianas, monitorização da saúde ocular, e em programas de rastreio. Considerando o elevado volume e complexidade clínica associada a estas imagens, a análise e interpretação das mesmas por clínicos treinados tornase uma tarefa morosa e propensa a erros humanos. Assim, há um interesse crescente no desenvolvimento de abordagens automatizadas, acessíveis em custo, e com uma alta sensibilidade e especificidade. Estas devem ser robustas para serem aplicadas à população em geral no diagnóstico e seguimento de doenças retinianas. Para serem eficazes, os sistemas de análise têm que conseguir detetar e distinguir estruturas normais de sinais patológicos. O objetivo principal da investigação que levou a esta tese de doutoramento é o desenvolvimento de sistemas automáticos capazes de detetar e segmentar as estruturas anatómicas da retina, e os sinais patológicos retinianos associados às doenças retinianas mais comuns. Em particular, estes algoritmos automatizados foram desenvolvidos segundo as premissas de robustez e eficácia para lidar com as dificuldades e complexidades inerentes a estas imagens. Foram considerados quatro objetivos de análise de imagens do fundo do olho. São estes, a segmentação de exsudados, a localização do disco ótico, a deteção da linha central venosa dos vasos sanguíneos e segmentação da rede vascular, e a deteção de microaneurismas. De acrescentar que usando o método de deteção de microaneurismas, avaliouse também a capacidade de deteção da retinopatia diabética em imagens do fundo do olho. Para comparar o desempenho das metodologias desenvolvidas neste trabalho, foi realizado um levantamento do estado da arte, onde foram considerados os métodos mais relevantes descritos na literatura para cada um dos objetivos descritos anteriormente. Para facilitar a comparação entre métodos, o estado da arte foi dividido em metodologias de processamento de imagem e baseadas em aprendizagem máquina. Optouse no trabalho de investigação desenvolvido pela utilização de metodologias de análise espacial de imagem em detrimento de metodologias baseadas em aprendizagem máquina. Em particular, as metodologias baseadas no espaço de escalas mostraram ser efetivas na obtenção dos objetivos estabelecidos. Para a segmentação de exsudados foram usadas duas abordagens distintas. A primeira abordagem baseiase na curvatura em espaço de escalas em conjunto com a resposta máxima local de um detetor de manchas em espaço de escalas e limiares dinâmicos. A segunda abordagem baseiase na análise do mapa de distribuição de ruído em conjunto com operadores morfológicos e limiares adaptativos. Ambas as abordagens fazem uma segmentação dos exsudados de elevada precisão, além de lidarem eficazmente com a iluminação nãouniforme e a variação de contraste presente nas imagens do fundo do olho. A localização do disco ótico foi conseguida com uma nova técnica designada por campos de soma acumulativos, combinada com métodos de melhoramento da rede vascular. O algoritmo revela ser fiável e eficiente, particularmente em imagens patológicas. A robustez do método foi verificada pela sua avaliação em oito bases de dados. A deteção da linha central dos vasos sanguíneos foi obtida através de um detetor de cantos modificado em conjunto com filtros binários e limiares dinâmicos. A segmentação da rede vascular foi conseguida com um novo método de melhoramento de vasos sanguíneos em espaço de escalas. Os métodos desenvolvidos mostraram ser eficazes na deteção da linha central dos vasos sanguíneos e na segmentação da rede vascular. Finalmente, o método para a deteção de microaneurismas assenta num formalismo de espaço de escalas na deteção e na rotulagem dos microaneurismas. Para a rotulagem foi utilizada uma nova abordagem da vizinhança dos candidatos a microaneurismas. A deteção de microaneurismas permitiu avaliar também a deteção da retinopatia diabética. O método para a deteção de microaneurismas mostrou ser competitivo quando comparado com outros métodos, em particular em imagens de alta resolução. A deteção da retinopatia diabética exibiu um desempenho semelhante a outros métodos e a especialistas humanos. Os trabalhos descritos nesta tese mostram ser possível desenvolver uma abordagem fiável e robusta em espaço de escalas capaz de detetar diferentes estruturas anatómicas e sinais patológicos da retina. Além disso, os resultados obtidos mostram que apesar de a pesquisa mais recente concentrarse em metodologias de aprendizagem máquina, as metodologias de análise espacial apresentam resultados muito competitivos e tipicamente independentes do equipamento de aquisição das imagens. As metodologias desenvolvidas nesta tese podem ser importantes na definição de novos descritores e características, que podem melhorar significativamente o resultado de métodos automatizados

Microaneurysms detection using a novel neighborhood analysis

The earliest sign of the diabetic retinopathy is the appearance of small red dots in retinal fundus images, designated by microaneurysms. In this paper a scale-space based method is proposed for the microaneurysms detection. Initially, the method performs a segmentation of the retinal vasculature and defines a global set of microaneurysms candidates, using both coarser and finer scales. Using the finer scales, a set of microaneurysms candidates are analysed in terms of shape and size. Then, a set of gaussian-shaped matched filters are used to reduce the number of false microaneurysms candidates. Each candidate is labeled as a true microaneurysm using a new neighborhood analysis method. The proposed algorithm was tested with the training Retinopathy Online Challenge (ROC) dataset, revealing a 47% Sensitivity with an average number of 37.9 false positives per image

Caracterização de tráfego e comportamentos numa rede P2P-TV

Mestrado em Engenharia de Computadores e TelemáticaA acesso a Internet tem-se tornado ao longo destes últimos anos um bem essencial pela forma como aproxima pessoas e informação. O media streaming e agora o P2P IPTV surgem no seguimento da necessidade dos utilizadores estarem ligados ao mundo, mais propriamente o acesso a conteúdos que, sem Internet, só estariam disponíveis para áreas territoriais específicas e no amadurecimento da tecnologia que possibilita agora taxas de transferência de dados elevada essenciais para o surgimento destes serviços. Esta dissertação surge motivada pela necessidade de se conhecer melhor os vários tipos de media streaming existentes, com especial enfase para o P2P IPTV, de forma a observar padrões no fluxo de tráfego permitindo assim às operadoras um melhor dimensionamento das redes bem como, perceber se este serviço apresenta ou não vantagens aos utilizadores face a outros serviços semelhantes baseados nas tecnologias cliente-servidor. O objectivo principal desta dissertação foi a caracterização estatística do tráfego gerado por alguns programas de P2P IPTV de forma a conhecer o seu modo de funcionamento perante a rede com o intuito de apoiar o dimensionamento e a gestão de redes no futuro. Outros objectivos pretendidos foram a caracterização do tráfego gerado por alguns tipos de media streaming quanto ao fluxo de tráfego, protocolos utilizados e qualidade de serviço e ainda a comparação entre os vários serviços de disponibilização de conteúdos estudados.Accessing the Internet has become through these last few years an essential tool in the way it gets people connected as well as information worldwide. Media streaming and now P2P IPTV appear concerning the need of internet users to connect worldwide, speci cally the access to contents that without Internet would only be available to specific territorial areas and in technology evolution that makes it now possible high data transfer rates, essential to the emerging of these services. This dissertation motivates itself by the need of better knowing the several types of existing media streaming, emphasizing P2P IPTV, as a way of observing patterns in traffic flux allowing operators a better net dimension as well as understanding if this service presents or not advantages to users in comparison to other similar services based in client - server technologies. The primary goal of this dissertation was the static characterization of traffic originated by some P2P IPTV programs as a way of knowing its running method before the net to support the future net dimension and management. Other desired goals have been traffic characterization originated by some media streaming types in terms of traffic flux, used protocols and service quality and yet the comparison between several services of studied contents availabilities

Proposta de anteprojeto

A atividade de construção civil é responsável por grande parte dos resíduos produzidos, nomeadamente em obras de construção, demolições de edifícios ou derrocadas, operações de manutenção, restauro, remodelação e reabilitação de construções. Esta dissertação apresenta o estudo de desenvolvimento a nível de anteprojeto de um edifício habitacional utilizando para a sua concepção os conceitos atuais do binómio construção / desconstrução. Numa primeira fase desta dissertação realizou-se uma pesquisa bibliográfica centrada nos conceitos de Construção e Desconstrução. Procurou-se também informações sobre parâmetros que possam orientar a escolha dos materiais e o sistema construtivo, tendo em conta a localização e a concepção espacial e formal do edifício proposto neste estudo. Nesta fase procurou-se estabelecer as ideias para o desenvolvimento de um sistema construtivo compatível com o binómio construção / desconstrução. Por fim apresentou-se uma proposta de anteprojeto com base em toda a informação teórica adquirida, na qual o conceito construção/desconstrução é utilizado como indutor de soluções sustentáveis em um projeto de carisma habitacional.The construction activities are responsible by an important waste production, particularly in construction, demolition of buildings or landslides, maintenance, restoration, remodeling and rehabilitation of construction operations. This dissertation presents the study of a draft project of building housing development using the current design concepts of the construction/deconstruction binomial. In the first phase of this dissertation took place one centered on the concepts of Construction and Deconstruction literature. Also sought information on parameters that can guide the choice of materials and construction system, taking into account the location and the spatial and formal design of the building proposed in this study. This phase was to establish the ideas for the development of a compatible binomial construction/deconstruction building system. Finally it is presented a preliminary project proposal based on the technical information acquired, which concern to the application of construction/deconstruction concepts in housing building projects

Aspectos biológicos das Orchidaceae de uma campina da Amazônia Central

This study is concerned with the taxonomy, geographical distribution, phenology and floral biology of species of Orchidaceae found at the Campina Biological Reserve (Manaus-Caracaraí Road, Km. 62). A list of the orchids collected from or cited as occurring in campinas of Central Amazonia has also been included for comparison. A total of 24 genera and 48 species of orchids were found in the campinas studied. Encyclia fragrans (Sw.) Lemée was found to be the most common species. The number of endemic species appeared to be small, 9.67%. Only Bulbophyllum correae Pabst, Encyclia tarumana Schltr., and Maxillaria pauciflora Barb. Rodr. appeared as species characteristic of this community. 31 species belonging to 17 genera were found at the Campina Reserve, and most species had a broad range of distribution. Bulbophyllum correae Pabst was collected here which extended its previously described range, and Ornithidium parviflorum (Poepp. & Endl.) Rchb. f. was collected for the first time in the state of Amazonas. The phenology of the species was variable throughout the twelve months of the year, and the phenology of species belonging to the same genus was also variable. The months of little flowering activity with the rainy season when insolation, radiation and temperatures were low. During the season of less rain, prior to the budding period, temperatures dropped to an absolute minimum of 19.0°C. This probably induced the species which flower during the rainy season to be activated at this time, when normally they would not flower. The months of greatest flowering coincided coincided with the relatively dry months, when radiation, temperatures and insolation were high. Only Epidendrum huebneri Schltr. of all the flowering species, blossomed all year round. In relation to the vegetative development there did not seem to be a marked difference between those species which flowered during the dry and wet seasons respectively. The genus Catasetum was the only one to lose its leaves during the dry season. The majority of pollinization syndromes of the plants found at the Campina Reserve showed adaptation to Hymenoptera, Lepidoptera, Diptera and Trochillidae (in that order). The plants produced odor mostly during the morning. Few species produced odors at night or during the afternoon. Three species did not produce odors. Rodriguezia secunda H.B.K. was previously reported as being pollinized by Trochollidae. However, it was observed that Heliconius hermanthena (Hewitson) (Lepidoptera) seemed to be the real pollinator in the area. Analysing the floral syndrome of this species, it was concluded that the species syndrome encompasses the two types of pollinators. This is of great importance from the evolutionary point of view of this species, as the campina population is isolated from other populations, and this could encourage future occurrence of speciation. The majority of the species need a pollinizing agent for effective fertilization according to the data on pollination and fertilization. Only Epidendrum strobiliferum Rchb. f. was autogamous. Once the number of seeds per capsule in this family is taken into consideration, the average computed for pollinization and fruiting is significant, 0.49 and 0.52 respectively. The fact that the average for fruiting is higher than the average for pollinization at first seems contradictory. However, this questionable result is explained by the autogamy of Epidendrum strobiliferum, which influences the numerical results. Insofar as the relationship between the pollination mechanisms and pollinizing agents is concerned, it was noted that the pollinia adheres specifically and precisely. This is of great importance in maintaining the specificity of the pollinizing mechanism. It was noted that animals other than specific pollinizing agents also visited the flowers, but they either did not carry pollinia, or their visit did not result in pollinization.Neste trabalho, estudou-se a taxonomia, distribuição geográfica, fenologia e biologia floral das Orchidaeeae da Reserva Biológica de Campina, estrada Manaus-Caracaraí, km 62. Apresentou-se também, uma tabela comparativa de todas as orquídeas já coletadas ou citadas das campinas da Amazônia Central. Coletou-se Bulbophyllum correae Pabst pela primeira vez fora do local da descrição original e indicou-se Ornithidium parviflorum (Poepp. & Endl.) Rchb, f. como nova para o Estado do Amazonas. Os espectros fenológicos aos espécies da campina estudada foram bastante variáveis, estando dispersos pelos 12 meses do ano. A maioria das síndromes de polinização das plantas da Reserva Biológica mostrou-se adaptada aos Hymenoptera; a seguir vieram os Lepidoptera, os Diptera e os Trochillidae. Rodriguezia secunda H.B.K. foi anteriormente reportada como sendo polinizado por Trochillidae. Neste estudo, observou-se Heliconius hermanthena (Hewitson) (Lepidoptera) como o real polinizador na área

Estudos da flora orquidológica do Estado do Amazonas. I - Descrição e observação da biologia floral de Stanhopea candida Barb. Rodr.

This is the first of a series of articles on orchids of the state of Amazonas, and their floral biology. In the present paper, the floral biology of Stanhopea candida Barb. Rodr. was studied. The species was included in the grandiflora group due to its pollination by a "fall through" mechanism. The attractant strategies of the species are elaborate. Pollination, in the vicinity of Manaus, is carried out by Euiaema mocsaryi, as effective pollinator, while Euglossa ignita acts as an "odor thief".O autor com este trabalho começa uma série sobre as orquídeas do Amazonas e sua biologia floral. Nesta primeira publicação, foi analisada a biologia floral de Stanhopea candida Barb. Rodr. Esta espécie foi incluída no grupo grandiflora, pois possui mecanismo da polinização do tipo "queda". As estratégias de atração da espécie também são bem elaboradas. Quanto à sua polinização, na região de Manaus, Eulaema mocsaryi é o polinizador efetivo, enquanto que Euglossa ignita comporta-se como "ladrão de odor"

Estudos da flora orquidológica do Estado do Amazonas. II - Masdevallia osmariniana Braga (Orchidaceae), espécie nova da flora amazônica

In this paper the autor discribes a new species of Masdevallia (Orchidaceae) from amazoniam region. Now the number of species of that genus extendes to nine in this region. The new species M. osmariniana, differes mainly from the nearest species, M. o'brieniana in the linear-lanceolate leaves, petals 2-venoses, unguiculo costulated, lip apex denticulate, column with auricles erose in the base and corniculate at the apex and. finally, by clinandrium at the apex bipartite.", 'enCom a presente espécie, proposta sob o nome de Masdevallia osmariniana, eleva-se para nove o número de taxa do gênero ocorrentes na Amazônia. Pela primeira vez descreve-se, nesta região, uma espécie pertencente ã seção Rhombipetala

Estudos da flora orquidológica do Estado do Amazonas. III-X Brassocattleya rubyi Braga (Orchidaceae) híbrido natural novo da flora amazônica

In this paper, the author describes a new natural hybrid of Brassocattleya (Orchidaceae) from the Amazonian region, thus extending the number of taxa of this hybrid genus to four in Brazil. By analysis of floral biology and probability of hybridization, we could verify the high degree of isolation between C. eldorado and B. martiana, an important aspect in the evolution of this family.Com o presente taxon, proposto sob o nome de X Brassocattleya rubyi, eleva-se para quatro o número de taxa do gênero híbrido ocorrentes no Brasil. Pela primeira vez descreve-se, nesta região, um taxon pertencente a este gênero, aumentando também o número de espécies da Reserva Biológica de Campina INPA/SUFRAMA (estrada Manaus-Caracaraí, km 45)

Luz enquanto visualidade: design na representação de sentimentos

Mestrado em DesignO acto de iluminar, abarca muito mais do que a simples acção de acender uma luz. Podemos falar, neste contexto, de uma atitude estética, uma expressão narrativa, sentimental e emocional. Procura-se assim nesta dissertação, referenciar os valores da luz e os actos de iluminar, para reconhecer que se podem manifestar e participar a diferentes escalas e circunstâncias. Pelo estudo teórico do valor da luz natural e artificial, pelo seu reconhecimento e uso nas várias expressões artísticas e pela diferente valorização consoante culturas e épocas, pretendemos demonstrar e constatar que é longo e versátil o reconhecimento e uso feito da luz. Falamos essencialmente da importância estética, das atmosferas próprias e do potencial imagético que a luz e o design podem potencial. O estudo teórico dá lugar e fundamenta um estudo projectual, onde se reconsidera o tratamento simbólico e expressivo da luz nos espaços que vivenciamos/habitamos. Propõe-se assim, pensar a luz como potenciadora de espaços identitários, que adaptamos ao nosso sentir e estar diário, através do uso e valorização da luz enquanto fim e não enquanto meio, para dar lugar à exploração livre de diferentes ambientes de luz, formas, cores e intensidade, em ambientes públicos e domésticos. Pretende-se a utilização modular e adaptável a diferentes contextos emocionais e estéticos que podem ser manipulados pelo indivíduo.The act of lighting covers much more than the simple action of turning on a light. We consider in this context an aesthetic attitude, an expression, sentimental and emotional narrative. We intend on this study to reference values and acts of lighting, to recognize that may be present and participate at different scales and circumstances. We intend to evidence and observe that is long and versatile the recognition and use of light, by demonstrating the theoretical study of the value of natural and artificial light, its recognition and use in various artistic ways and the different valuation according to cultures. We speak mainly of the importance of aesthetics and particular atmospheres that light and design can boost. The practical project rethinks the symbolic and expressive treatment of light in the spaces we inhabit. It is proposed to think light as spaces identity generator, which we adapt to our feeling and daily living by the use and appreciation of light. Free exploration of different light environments, shapes, colors and intensity, in domestic and public environments. Through the use of modular panels, adaptable to different emotional and aesthetic contexts that can be handled by the individual