En esta Tesis presentamos nuestras contribuciones al estado del arte en procesamiento digital de imágenes médicas, articulando nuestra exposición en torno a los tres principales objetivos de la adquisición de imágenes en medicina: la prevención, el diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades. La prevención de la enfermedad se puede conseguir a veces mediante una caracterización cuidadosa de los fenotipos propios de la misma. Tal caracterización a menudo se alcanza a partir de imágenes. Presentamos nuestro trabajo en caracterización del enfisema pulmonar a partir de imágenes TAC (Tomografía Axial Computerizada) de tórax en alta resolución, a través del análisis de las texturas locales de la imagen. Nos proponemos llenar el vacío existente entre la práctica clínica actual, y las sofisticadas pero costosas técnicas de caracterización de regiones texturadas, disponibles en la literatura. Lo hacemos utilizando la distribución local de intensidades como un descriptor adecuado para determinar el grado de destrucción de tejido en pulmones enfisematosos. Se presentan interesantes resultados derivados del análisis de varios cientos de imágenes para niveles variables de severidad de la enfermedad, sugiriendo tanto la validez de nuestras hipótesis, como la pertinencia de este tipo de análisis para la comprensión de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica. El procesado de imágenes médicas también puede asistir en el diagnóstico y detección de enfermedades. Presentamos nuestras contribuciones a este campo, que consisten en técnicas de segmentación y cuantificación de imágenes dermatoscópicas de lesiones de la piel. La segmentación se obtiene mediante un novedoso algoritmo basado en contornos activos que explota al máximo el contenido cromático de las imágenes, gracias a la maximización de la discrepancia mediante comparaciones cross-bin. La cuantificación de texturas en lesiones melanocíticas se lleva a cabo utilizando un modelado de los patrones de pigmentación basado en campos aleatorios de Markov, en un esfuerzo por adoptar la tendencia emergente en dermatología: la detección de la malignidad mediante el análisis de la irregularidad de la textura. Los resultados para ambas técnicas son validados con un conjunto significativo de imágenes dermatológicas, sugiriendo líneas interesantes para la detección automática del melanoma maligno. Cuando la enfermedad ya está presente, el tratamiento digital de imágenes puede asistir en la planificación quirúrgica y la intervención guiada por imagen. La planificación terapeútica, ejemplicada por la planificación de cirugía plástica usando realidad virtual, se aborda en nuestro trabajo en segmentación de hueso/grasa/músculo en imágenes TAC. Usando un abordaje interactivo e incremental, nuestro sistema permite obtener segmentaciones precisas a partir de unos cuantos clics de ratón para una gran variedad de condiciones de adquisición y frente a anatomícas anormales. Presentamos nuestra metodología, y nuestra validación experimental profusa basada tanto en segmentaciones manuales como en valoraciones subjetivas de los usuarios, e indicamos referencias al lector que detallan los beneficios obtenidos con el uso de la plataforma de planifificación que utiliza nuestro algoritmo. Como conclusión presentamos una disertación final sobre la importancia de nuestros resultados y las líneas probables de trabajo futuro hacía el objetivo último de mejorar el cuidado de la salud mediante técnicas de tratamiento digital de imágenes médicas.In this Thesis we present our contributions to the state-of-the-art in medical
image processing, articulating our exposition around the three main roles of
medical imaging: disease prevention, diagnosis and treatment.
Disease prevention can sometimes be achieved by proper characterization of
disease phenotypes. Such characterization is often attained from the standpoint
of imaging. We present our work in characterization of emphysema from highresolution computed-tomography images via quanti_cation of local texture. We propose to _ll the gap between current clinical practice and sophisticated texture approaches by the use of local intensity distributions as an adequate descriptor for the degree of tissue destruction in the emphysematous lung. Interesting results are presented from the analysis of several hundred datasets of lung CT for varying disease severity, suggesting both the correctness of our hypotheses and the pertinence of _ne emphysema quanti_cation for understanding of chronic obstructive pulmonary disease. Medical image processing can also assist in the diagnosis and detection of disease. We introduce our contributions to this_eld, consisting of segmentation and quanti_cation techniques in application to dermatoscopy images of skin lesions. Segmentation is achieved via a novel active contour algorithm that fully exploits the color content of the images, via cross-bin histogram dissimilarity maximization. Texture quanti_cation in the context of melanocytic lesions is performed using modelization of the pigmentation patterns via Markov random elds, in an e_ort to embrace the emerging trend in dermatology: malignancy assessment based on texture irregularity analysis. Experimental results for both, the segmentation and quanti_cation proposed techniques, will be validated on a
signi_cant set of dermatoscopy images, suggesting interesting pathways towards automatic detection and diagnosis of malignant melanoma.
Once disease has occurred, image processing can assist in therapeutical planning and image-guided intervention. Therapeutical planning, exempli_ed by virtual reality surgical planning, is tackled by our work in segmentation of
bone/fat/muscle in CT images for plastic surgery planning. Using an interactive, incremental approach, our system is able to provide accurate segmentations based on a couple of mouse-clicks for a wide variety of imaging conditions and abnormal anatomies. We present our methodology, and provide profuse experimental validation based on manual segmentations and subjective assessment, and refer the reader to related work reporting on the clinical bene_ts obtained using the virtual reality platform hosting our algorithm. As a conclusion we present a _nal dissertation on the signi_cance of our results and the probable lines of future work towards fully bene_tting healthcare using medical image processing
