Contour-Driven Atlas-Based Segmentation

We propose new methods for automatic segmentation of images based on an atlas of manually labeled scans and contours in the image. First, we introduce a Bayesian framework for creating initial label maps from manually annotated training images. Within this framework, we model various registration- and patch-based segmentation techniques by changing the deformation field prior. Second, we perform contour-driven regression on the created label maps to refine the segmentation. Image contours and image parcellations give rise to non-stationary kernel functions that model the relationship between image locations. Setting the kernel to the covariance function in a Gaussian process establishes a distribution over label maps supported by image structures. Maximum a posteriori estimation of the distribution over label maps conditioned on the outcome of the atlas-based segmentation yields the refined segmentation. We evaluate the segmentation in two clinical applications: the segmentation of parotid glands in head and neck CT scans and the segmentation of the left atrium in cardiac MR angiography images

Trabecular bone analysis in CT and X-ray images of the proximal femur for the assessment of local bone quality

Currently, conventional X-ray and CT images as well as invasive methods performed during the surgical intervention are used to judge the local quality of a fractured proximal femur. However, these approaches are either dependent on the surgeon's experience or cannot assist diagnostic and planning tasks preoperatively. Therefore, in this work a method for the individual analysis of local bone quality in the proximal femur based on model-based analysis of CT- and X-ray images of femur specimen will be proposed. A combined representation of shape and spatial intensity distribution of an object and different statistical approaches for dimensionality reduction are used to create a statistical appearance model in order to assess the local bone quality in CT and X-ray images. The developed algorithms are tested and evaluated on 28 femur specimen. It will be shown that the tools and algorithms presented herein are highly adequate to automatically and objectively predict bone mineral density values as well as a biomechanical parameter of the bone that can be measured intraoperatively

Виявлення стенозу у внутрішніх сонних і хребетних артеріях із застосуванням діаметрів, оцінених за даними магнітно-резонансної томографії

Background. Magnetic resonance imaging (MRI) offers the opportunity to quantify the vessel diameters in vivo. This technique can have a breakthrough impact on the evaluation, risk stratification and therapeutical planning in hemodynamic-related pathologies, e.g., arterial stenosis. However, its applicability in clinics is limi­ted due to the complex post-processing required to extract the information and the difficulty to synthesize the obtained data into clinical useful parameters.Objective. In this work, we use the vessel diameter distribution along its central line obtained with the use of MRI technology in order to detect the existence of stenosis in internal carotid arteries (ICA) and vertebral arteries (VA) with the minimal amount of False Negative predictions and to estimate the efficiency of therapy.Methods. Special normalized and smoothed characteristics will be used to develop the stenosis detection criteria which can be used for every artery separately and for both vessels simultaneously. Linear and non-linear characteristics were used to increase the reliability of diagnostics. Study is based on the Receiver Operating Characteristics (ROC) and optimization methods. Real diameter data of 10 patients (80 data sets) were used.Results. To detect stenosis, three different criteria have been proposed, based on the optimal smoothing parameters of vessel diameter distributions and the corresponding threshold values for linear and nonlinear characteristics. The use of the developed criteria allows increasing the reliability of stenosis detection.Conclusions. Different linear, non-linear, smoothed and non-smoothed parameters and ROC were applied to detect stenosis in internal carotid and vertebral arteries. It was shown that smoothed data are necessary for VA and the criterion applicable both for VA and ICA. For ICA it is possible to use initial (unsmoothed) data. Only one False Positive case was detected for every artery. Results of application of proposed criteria are presented, tested and discussed. For VA it is possible to use criteria 1 and 2 and smoothed normalized diameter data. For ICA criterion 2 can be recommended to detect long enough narrowing areas. To detect short zones of stenosis in ICA, the criterion 3 is useful, since it uses the non-smoothed diameter data.Проблематика. Магнитно-резонансная томография (МРТ) дает возможность количественно определить диаметры сосудов in vivo. Этот метод может оказать прорывное влияние на оценку, стратификацию риска и терапевтическое планирование при гемодинамических патологиях, например при артериальном стенозе. Однако его применимость в клиниках ограничена из-за сложной постобработки, необходимой для извлечения информации, и сложности с синтезом полученных данных в клинически полезные параметры.Цель. Мы используем распределение диаметра сосуда вдоль ее центральной линии, полученное с использованием технологии МРТ, чтобы обнаружить наличие стеноза во внутренних сонных артериях (IСА) и позвоночных артериях (VA) с минимальным количеством ложных отрицательных прогнозов и оценить эффективность терапии.Методика реализации. Специальные нормализованные и сглаженные характеристики будут использоваться для разработки критериев обнаружения стеноза, которые можно использовать для каждой артерии отдельно и для обоих сосудов одновременно. Линейные и нелинейные характеристики были использованы для повышения достоверности прогнозов. Исследование основано на эксплуатационных характеристиках приемника (ROC) и методах оптимизации. Использовались данные реального диаметра артерий для 10 пациентов (80 наборов данных).Результаты. Для выявления стеноза были предложены три различных критерия, основанные на оптимальных параметрах сглаживания распределений диаметра сосудов и соответствующих пороговых значениях для линейных и нелинейных характеристик. Использование разработанных критериев позволяет повысить надежность выявления стеноза.Выводы. Различные линейные, нелинейные, сглаженные и несглаженные параметры и ROC были использованы для обнаружения стеноза во внутренних сонных и позвоночных артериях. Было показано, что сглаженные данные необходимы для VA и критерия, применимого как для VА, так и для IСА. Для ICA можно использовать исходные (несглаженные) данные. Только один ложноположительный случай был обнаружен для каждой артерии. Представлены, апробированы и обсуждены результаты применения предложенных критериев. Для VA можно использовать критерии 1 и 2 и сглаженные данные нормализованного диаметра. Для ICA критерий 2 можно рекомендовать для обнаружения достаточно длинных сужающихся участков. Для выявления коротких зон стеноза в IСА полезен критерий 3, поскольку в нем используются несглаженные данные диаметра.Проблематика. Магнітно-резонансна томографія (МРТ) дає можливість визначити діаметр судин in vivo. Ця методика може мати проривний вплив на оцінку, стратифікацію ризику і терапевтичне планування при гемодинамічних патологіях, наприклад при артеріальному стенозі. Однак його клінічне застосування обмежене через складну постобробку, необхідну для витягу інформації, та труднощі синтезу отриманих даних у клінічно корисні параметри.Мета. Ми використовуємо розподіл діаметра судини вздовж її центральної лінії, отриманий із застосуванням технології МРТ, щоб виявити наявність стенозу у внутрішніх сонних (ICA) і хребетних (VA) артеріях з мінімальною кількістю помилкових негативних прогнозів та оцінити ефективність терапії.Методика реалізації. Спеціальні нормовані та згладжені характеристики застосовано для розробки критеріїв виявлення стенозу, які можна використовувати для кожної артерії окремо і для обох судин одночасно. Для підвищення достовірності діагностики використовували лінійні та нелінійні характеристики. Дослідження базується на робочих характеристиках приймача (ROC) і методах оптимізації. Було використано дані про фактичний діаметр судин 10 пацієнтів (80 наборів даних).Результати. Для виявлення стенозу запропоновано три різних критерії, що базуються на оптимальних параметрах згладжування розподілів діаметра судин і відповідних порогових значеннях для лінійних та нелінійних характеристик. Використання розроблених критеріїв дає змогу підвищити надійність виявлення стенозу.Висновки. Для виявлення стенозу у внутрішніх сонних і хребетних артеріях застосовувались різні лінійні, нелінійні, згладжені й незгладжені параметри та ROC. Було показано, що згладжені дані необхідні для VA і критерію, застосовного як для VA, так і для ICA. Для ICA можна використовувати початкові (незгладжені) дані. Виявлено лише один хибний позитивний випадок для кожної артерії. Представлено, перевірено та обговорено результати застосування запропонованих критеріїв. Для VA можна використовувати критерії 1 і 2 і згладжувати дані нормалізованого діаметра. Для ICA критерій 2 можна рекомендувати для виявлення досить довгих зон звуження. Для виявлення коротких зон стенозу в ICA корисний критерій 3, оскільки він використовує дані незгладженого діаметра

Обнаружение стеноза внутренних сонных и позвоночных артерий с использованием диаметров, оцененных по данным магнитно-резонансной томографии

The study was supported by EU-financed Horizon-2020 project AMMODIT (Grant Number MSCA-RISE 645672), Austrian Science Fund (FWF): project P 29514-N32. The data was acquired through a study performed at the Medical University of Innsbruck called "ReSect-Study". The ReSect-study is funded by the OeNB Anniversary Fund (#15644).Проблематика. Магнітно-резонансна томографія (МРТ) дає можливість визначити діаметр судин in vivo. Ця методика може мати проривний вплив на оцінку, стратифікацію ризику і терапевтичне планування при гемодинамічних патологіях, наприклад при артеріальному стенозі. Однак його клінічне застосування обмежене через складну постобробку, необхідну для витягу інформації, та труднощі синтезу отриманих даних у клінічно корисні параметри. Мета. Ми використовуємо розподіл діаметра судини вздовж її центральної лінії, отриманий із застосуванням технології МРТ, щоб виявити наявність стенозу у внутрішніх сонних (ICA) і хребетних (VA) артеріях з мінімальною кількістю помилкових негативних прогнозів та оцінити ефективність терапії. Методика реалізації. Спеціальні нормовані та згладжені характеристики застосовано для розробки критеріїв виявлення стенозу, які можна використовувати для кожної артерії окремо і для обох судин одночасно. Для підвищення достовірності діагностики використовували лінійні та нелінійні характеристики. Дослідження базується на робочих характеристиках приймача (ROC) і методах оптимізації. Було використано дані про фактичний діаметр судин 10 пацієнтів (80 наборів даних). Результати. Для виявлення стенозу запропоновано три різних критерії, що базуються на оптимальних параметрах згладжування розподілів діаметра судин і відповідних порогових значеннях для лінійних та нелінійних характеристик. Використання розроблених критеріїв дає змогу підвищити надійність виявлення стенозу. Висновки. Для виявлення стенозу у внутрішніх сонних і хребетних артеріях застосовувались різні лінійні, нелінійні, згладжені й незгладжені параметри та ROC. Було показано, що згладжені дані необхідні для VA і критерію, застосовного як для VA, так і для ICA. Для ICA можна використовувати початкові (незгладжені) дані. Виявлено лише один хибний позитивний випадок для кожної артерії. Представлено, перевірено та обговорено результати застосування запропонованих критеріїв. Для VA можна використовувати критерії 1 і 2 і згладжувати дані нормалізованого діаметра. Для ICA критерій 2 можна рекомендувати для виявлення досить довгих зон звуження. Для виявлення коротких зон стенозу в ICA корисний критерій 3, оскільки він використовує дані незгладженого діаметра.Background. Magnetic resonance imaging (MRI) offers the opportunity to quantify the vessel diameters in vivo. This technique can have a breakthrough impact on the evaluation, risk stratification and therapeutical planning in hemodynamic-related pathologies, e.g., arterial stenosis. However, its applicability in clinics is limi­ted due to the complex post-processing required to extract the information and the difficulty to synthesize the obtained data into clinical useful parameters. Objective. In this work, we use the vessel diameter distribution along its central line obtained with the use of MRI technology in order to detect the existence of stenosis in internal carotid arteries (ICA) and vertebral arteries (VA) with the minimal amount of False Negative predictions and to estimate the efficiency of therapy. Methods. Special normalized and smoothed characteristics will be used to develop the stenosis detection criteria which can be used for every artery separately and for both vessels simultaneously. Linear and non-linear characteristics were used to increase the reliability of diagnostics. Study is based on the Receiver Operating Characteristics (ROC) and optimization methods. Real diameter data of 10 patients (80 data sets) were used. Results. To detect stenosis, three different criteria have been proposed, based on the optimal smoothing parameters of vessel diameter distributions and the corresponding threshold values for linear and nonlinear characteristics. The use of the developed criteria allows increasing the reliability of stenosis detection. Conclusions. Different linear, non-linear, smoothed and non-smoothed parameters and ROC were applied to detect stenosis in internal carotid and vertebral arteries. It was shown that smoothed data are necessary for VA and the criterion applicable both for VA and ICA. For ICA it is possible to use initial (unsmoothed) data. Only one False Positive case was detected for every artery. Results of application of proposed criteria are presented, tested and discussed. For VA it is possible to use criteria 1 and 2 and smoothed normalized diameter data. For ICA criterion 2 can be recommended to detect long enough narrowing areas. To detect short zones of stenosis in ICA, the criterion 3 is useful, since it uses the non-smoothed diameter data.Проблематика. Магнитно-резонансная томография (МРТ) дает возможность количественно определить диаметры сосудов in vivo. Этот метод может оказать прорывное влияние на оценку, стратификацию риска и терапевтическое планирование при гемодинамических патологиях, например при артериальном стенозе. Однако его применимость в клиниках ограничена из-за сложной постобработки, необходимой для извлечения информации, и сложности с синтезом полученных данных в клинически полезные параметры. Цель. Мы используем распределение диаметра сосуда вдоль ее центральной линии, полученное с использованием технологии МРТ, чтобы обнаружить наличие стеноза во внутренних сонных артериях (IСА) и позвоночных артериях (VA) с минимальным количеством ложных отрицательных прогнозов и оценить эффективность терапии. Методика реализации. Специальные нормализованные и сглаженные характеристики будут использоваться для разработки критериев обнаружения стеноза, которые можно использовать для каждой артерии отдельно и для обоих сосудов одновременно. Линейные и нелинейные характеристики были использованы для повышения достоверности прогнозов. Исследование основано на эксплуатационных характеристиках приемника (ROC) и методах оптимизации. Использовались данные реального диаметра артерий для 10 пациентов (80 наборов данных). Результаты. Для выявления стеноза были предложены три различных критерия, основанные на оптимальных параметрах сглаживания распределений диаметра сосудов и соответствующих пороговых значениях для линейных и нелинейных характеристик. Использование разработанных критериев позволяет повысить надежность выявления стеноза. Выводы. Различные линейные, нелинейные, сглаженные и несглаженные параметры и ROC были использованы для обнаружения стеноза во внутренних сонных и позвоночных артериях. Было показано, что сглаженные данные необходимы для VA и критерия, применимого как для VА, так и для IСА. Для ICA можно использовать исходные (несглаженные) данные. Только один ложноположительный случай был обнаружен для каждой артерии. Представлены, апробированы и обсуждены результаты применения предложенных критериев. Для VA можно использовать критерии 1 и 2 и сглаженные данные нормализованного диаметра. Для ICA критерий 2 можно рекомендовать для обнаружения достаточно длинных сужающихся участков. Для выявления коротких зон стеноза в IСА полезен критерий 3, поскольку в нем используются несглаженные данные диаметра