Técnicas de análise de imagens para detecção de retinopatia diabética

Orientadores: Anderson de Rezende Rocha. Jacques WainerTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Retinopatia Diabética (RD) é uma complicação a longo prazo do diabetes e a principal causa de cegueira da população ativa. Consultas regulares são necessárias para diagnosticar a retinopatia em um estágio inicial, permitindo um tratamento com o melhor prognóstico capaz de retardar ou até mesmo impedir a cegueira. Alavancados pela evolução da prevalência do diabetes e pelo maior risco que os diabéticos têm de desenvolver doenças nos olhos, diversos trabalhos com abordagens bem estabelecidas e promissoras vêm sendo desenvolvidos para triagem automática de retinopatia. Entretanto, a maior parte dos trabalhos está focada na detecção de lesões utilizando características visuais particulares de cada tipo de lesão. Além do mais, soluções artesanais para avaliação de necessidade de consulta e de identificação de estágios da retinopatia ainda dependem bastante das lesões, cujo repetitivo procedimento de detecção é complexo e inconveniente, mesmo se um esquema unificado for adotado. O estado da arte para avaliação automatizada de necessidade de consulta é composto por abordagens que propõem uma representação altamente abstrata obtida inteiramente por meio dos dados. Usualmente, estas abordagens recebem uma imagem e produzem uma resposta ¿ que pode ser resultante de um único modelo ou de uma combinação ¿ e não são facilmente explicáveis. Este trabalho objetivou melhorar a detecção de lesões e reforçar decisões relacionadas à necessidade de consulta, fazendo uso de avançadas representações de imagens em duas etapas. Nós também almejamos compor um modelo sofisticado e direcionado pelos dados para triagem de retinopatia, bem como incorporar aprendizado supervisionado de características com representação orientada por mapa de calor, resultando em uma abordagem robusta e ainda responsável para triagem automatizada. Finalmente, tivemos como objetivo a integração das soluções em dispositivos portáteis de captura de imagens de retina. Para detecção de lesões, propusemos abordagens de caracterização de imagens que possibilitem uma detecção eficaz de diferentes tipos de lesões. Nossos principais avanços estão centrados na modelagem de uma nova técnica de codificação para imagens de retina, bem como na preservação de informações no processo de pooling ou agregação das características obtidas. Decidir automaticamente pela necessidade de encaminhamento do paciente a um especialista é uma investigação ainda mais difícil e muito debatida. Nós criamos um método mais simples e robusto para decisões de necessidade de consulta, e que não depende da detecção de lesões. Também propusemos um modelo direcionado pelos dados que melhora significativamente o desempenho na tarefa de triagem da RD. O modelo produz uma resposta confiável com base em respostas (locais e globais), bem como um mapa de ativação que permite uma compreensão de importância de cada pixel para a decisão. Exploramos a metodologia de explicabilidade para criar um descritor local codificado em uma rica representação em nível médio. Os modelos direcionados pelos dados são o estado da arte para triagem de retinopatia diabética. Entretanto, mapas de ativação são essenciais para interpretar o aprendizado em termos de importância de cada pixel e para reforçar pequenas características discriminativas que têm potencial de melhorar o diagnósticoAbstract: Diabetic Retinopathy (DR) is a long-term complication of diabetes and the leading cause of blindness among working-age adults. A regular eye examination is necessary to diagnose DR at an early stage, when it can be treated with the best prognosis and the visual loss delayed or deferred. Leveraged by the continuous expansion of diabetics and by the increased risk that those people have to develop eye diseases, several works with well-established and promising approaches have been proposed for automatic screening. Therefore, most existing art focuses on lesion detection using visual characteristics specific to each type of lesion. Additionally, handcrafted solutions for referable diabetic retinopathy detection and DR stages identification still depend too much on the lesions, whose repetitive detection is complex and cumbersome to implement, even when adopting a unified detection scheme. Current art for automated referral assessment resides on highly abstract data-driven approaches. Usually, those approaches receive an image and spit the response out ¿ that might be resulting from only one model or ensembles ¿ and are not easily explainable. Hence, this work aims at enhancing lesion detection and reinforcing referral decisions with advanced handcrafted two-tiered image representations. We also intended to compose sophisticated data-driven models for referable DR detection and incorporate supervised learning of features with saliency-oriented mid-level image representations to come up with a robust yet accountable automated screening approach. Ultimately, we aimed at integrating our software solutions with simple retinal imaging devices. In the lesion detection task, we proposed advanced handcrafted image characterization approaches to detecting effectively different lesions. Our leading advances are centered on designing a novel coding technique for retinal images and preserving information in the pooling process. Automatically deciding on whether or not the patient should be referred to the ophthalmic specialist is a more difficult, and still hotly debated research aim. We designed a simple and robust method for referral decisions that does not rely upon lesion detection stages. We also proposed a novel and effective data-driven model that significantly improves the performance for DR screening. Our accountable data-driven model produces a reliable (local- and global-) response along with a heatmap/saliency map that enables pixel-based importance comprehension. We explored this methodology to create a local descriptor that is encoded into a rich mid-level representation. Data-driven methods are the state of the art for diabetic retinopathy screening. However, saliency maps are essential not only to interpret the learning in terms of pixel importance but also to reinforce small discriminative characteristics that have the potential to enhance the diagnosticDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da ComputaçãoCAPE

Análise de qualidade, detecção de lesões de retinopatia diabética, triagem e verificação de necessidade de consulta a partir de imagens de retina

Orientador: Anderson de Rezende RochaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: A Retinopatia Diabética (RD), complicação provocada pela diabetes, se manifesta por meio de diferentes lesões que possuem suas especificidades. Estas especificidades são exploradas na literatura como estratégia para representação, proporcionando uma discriminação satisfatória entre imagens de pacientes normais e doentes. No entanto, por estarem fortemente atrelada _as características visuais de cada anomalia, a detecção de lesões distintas exige abordagens distintas. Neste trabalho, apresentamos um arcabouço geral cujo objetivo é automatizar o procedimento de análise de imagens de fundo de olho. O trabalho é dividido em quatro etapas: avaliação de qualidade, detecção de lesões individuais, triagem e verificação de necessidade de consulta. Na primeira etapa, aplicamos diferentes técnicas de caracterização de imagens para avaliar a qualidade das imagens por meio de dois critérios: definição de campo e detecção de borramentos. Na segunda etapa deste trabalho, propomos a continuação de um trabalho anterior desenvolvido pelo nosso grupo, no qual foi aplicado um método unificado na tentativa de detecção de lesões distintas. No nosso método para detecção de qualquer lesão, exploramos diferentes alternativas de representação em baixo nível (extração densa e esparsa) e médio nível (técnicas de coding/pooling para sacolas de palavras visuais) objetivando o desenvolvimento de um conjunto eficaz de detectores de lesões individuais. As pontuações provenientes de cada detector de lesão, obtidas para cada imagem, representam uma descrição de alto nível, ponto fundamental para a terceira e a quarta etapas. Tendo em mãos um conjunto de dados descritos em alto nível (pontuações dos detectores individuais), propomos, na terceira etapa do trabalho, a aplicação de técnicas de fusão de dados para o desenvolvimento de um método de detecção de múltiplas lesões. A descrição em alto nível também é explorada na quarta etapa para o desenvolvimento de um método eficaz de avaliação de necessidade de encaminhamento a um oftalmologista no intervalo de um ano, visando evitar que o médico seja sobrecarregado, bem como dar prioridade a pacientes em estado urgenteAbstract: Diabetic Retinopathy (DR), a common complication caused by diabetes, manifests through deferent lesions that have their particularities. These particularities are explored in the literature as methods for representation, providing a satisfactory discrimination between healthy/diseased retinas. However, by being strongly linked to the visual characteristics of each anomaly, the detection of distinct lesions requires distinct approaches. In this work, we present a general framework whose objective is to automate the eye-fundus image analysis. The work comprises four steps: image quality assessment, DR-related lesion detection, screening, and referral. In the first step, we apply characterization techniques to assess image quality by two criteria: field definition and blur detection. In the second step of this work, we extend up a previous work of our group which explored a unified method for detecting distinct lesions in eye-fundus images. In our approach for detection of any lesion, we explore several alternatives for low-level (dense and sparse extraction) and mid-level (coding/pooling techniques of bag of visual words) representations, aiming at the development of an effective set of individual DR-related lesion detectors. The scores derived from each individual DR-related lesion, taken for each image, represent a high-level description, fundamental point for the third and fourth steps. Given a dataset described in high-level (scores from the individual detectors), we propose, in the third step of the work, the use of machine learning fusion techniques aiming at the development of a multi-lesion detection method. The high-level description is also explored in the fourth step for the development of an effective method for evaluating the necessity of referral of a patient to an ophthalmologist in the interval of one year, avoiding overloading medical specialist with simple cases as well as give priority to patients in an urgent stateMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computaçã