3D Wavelet-based Fusion Techniques for Biomedical Imaging

Hoy en día las técnicas de adquisición de imágenes tridimensionales son comunes en diversas áreas, pero cabe destacar la relevancia que han adquirido en el ámbito de la imagen biomédica, dentro del cual encontramos una amplia gama de técnicas como la microscopía confocal, microscopía de dos fotones, microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, resonancia magnética nuclear, tomografía por emisión de positrones, tomografía de coherencia óptica, ecografía 3D y un largo etcétera. Un denominador común de todas esas aplicaciones es la constante necesidad por aumentar la resolución y la calidad de las imágenes adquiridas. En algunas de dichas técnicas de imagen tridimensional se da una interesante situación: aunque que cada volumen adquirido no contiene información suficiente para representar el objeto bajo estudio dentro de los parámetros de calidad requeridos por algunas aplicaciones finales, el esquema de adquisición permite la obtención de varios volúmenes que representan diferentes vistas de dicho objeto, de tal forma que cada una de las vistas proporciona información complementaria acerca del mismo. En este tipo de situación es posible, mediante la combinación de varias de esas vistas, obtener una mejor comprensión del objeto que a partir de cada una de ellas por separado. En el contexto de esta Tesis Doctoral se ha propuesto, desarrollado y validado una nueva metodología de proceso de imágenes basada en la transformada wavelet disc¬reta para la combinación, o fusión, de varias vistas con información complementaria de un mismo objeto. El método de fusión propuesto aprovecha la capacidad de descom¬posición en escalas y orientaciones de la transformada wavelet discreta para integrar en un solo volumen toda la información distribuida entre el conjunto de vistas adquiridas. El trabajo se centra en dos modalidades diferentes de imagen biomédica que per¬miten obtener tales adquisiciones multi-vista. La primera es una variante de la micro¬scopía de fluorescencia, la microscopía de fluorescencia mediante lámina de luz, que se utiliza para el estudio del desarrollo temprano de embriones vivos en diferentes modelos animales, como el pez cebra o el erizo de mar. La segunda modalidad es la resonancia magnética nuclear con realce tardío, que constituye una valiosa herramienta para evaluar la viabilidad del tejido miocárdico en pacientes con diversas miocardiopatías. Como parte de este trabajo, el método propuesto ha sido aplicado y validado en am¬bas modalidades de imagen. En el caso de la aplicación a microscopía de fluorescencia, los resultados de la fusión muestran un mejor contraste y nivel de detalle en comparación con cualquiera de las vistas individuales y el método no requiere de conocimiento previo acerca la función de dispersión puntual del sistema de imagen. Además, los resultados se han comparado con otros métodos existentes. Con respecto a la aplicación a imagen de resonancia magnética con realce tardío, los volúmenes fusionados resultantes pre-sentan una mejora cuantitativa en la nitidez de las estructuras relevantes y permiten una interpretación más sencilla y completa de la compleja estructura tridimensional del tejido miocárdico en pacientes con cardiopatía isquémica. Para ambas aplicaciones los resultados de esta tesis se encuentran actualmente en uso en los centros clínicos y de investigación con los que el autor ha colaborado durante este trabajo. Además se ha puesto a libre disposición de la comunidad científica la implementación del método de fusión propuesto. Por último, se ha tramitado también una solicitud de patente internacional que cubre el método de visualización desarrollado para la aplicación de Resonancia Magnética Nuclear. Abstract Nowadays three dimensional imaging techniques are common in several fields, but es-pecially in biomedical imaging, where we can find a wide range of techniques including: Laser Scanning Confocal Microscopy, Laser Scanning Two Photon Microscopy, Light Sheet Fluorescence Microscopy, Magnetic Resonance Imaging, Positron Emission To-mography, Optical Coherence Tomography, 3D Ultrasound Imaging, etc. A common denominator of all those applications being the constant need for further increasing resolution and quality of the acquired images. Interestingly, in some of the mentioned three-dimensional imaging techniques a remarkable situation arises: while a single volume does not contain enough information to represent the object being imaged within the quality parameters required by the final application, the acquisition scheme allows recording several volumes which represent different views of a given object, with each of the views providing complementary information. In this kind of situation one can get a better understanding of the object by combining several views instead of looking at each of them separately. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and test new image processing methodologies based on the discrete wavelet transform for the combination, or fusion, of several views containing complementary information of a given object. The proposed fusion method exploits the scale and orientation decomposition capabil¬ities of the discrete wavelet transform to integrate in a single volume all the available information distributed among the set of acquired views. The work focuses in two different biomedical imaging modalities which provide such multi-view datasets. The first one is a particular fluorescence microscopy technique, Light-Sheet Fluorescence Microscopy, used for imaging and gaining understanding of the early development of live embryos from different animal models (like zebrafish or sea urchin). The second is Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, which is a valuable tool for assessing the viability of myocardial tissue on patients suffering from different cardiomyopathies. As part of this work, the proposed method was implemented and then validated on both imaging modalities. For the fluorescence microscopy application, the fusion results show improved contrast and detail discrimination when compared to any of the individual views and the method does not rely on prior knowledge of the system’s point spread function (PSF). Moreover, the results have shown improved performance with respect to previous PSF independent methods. With respect to its application to Delayed Enhancement Magnetic Resonance Imaging, the resulting fused volumes show a quantitative sharpness improvement and enable an easier and more complete interpretation of complex three-dimensional scar and heterogeneous tissue information in ischemic cardiomyopathy patients. In both applications, the results of this thesis are currently in use in the clinical and research centers with which the author collaborated during his work. An imple¬mentation of the fusion method has also been made freely available to the scientific community. Finally, an international patent application has been filed covering the visualization method developed for the Magnetic Resonance Imaging application.

Procesado de imágenes médicas en MATLAB

La relación entre la ingeniería y la medicina cada vez se está haciendo más estrecha, y debido a esto se ha creado una nueva disciplina, la bioingeniería, ámbito en el que se centra el proyecto. Este ámbito cobra gran interés debido al rápido desarrollo de nuevas tecnologías que en particular permiten, facilitan y mejoran la obtención de diagnósticos médicos respecto de los métodos tradicionales. Dentro de la bioingeniería, el campo que está teniendo mayor desarrollo es el de la imagen médica, gracias al cual se pueden obtener imágenes del interior del cuerpo humano con métodos no invasivos y sin necesidad de recurrir a la cirugía. Mediante métodos como la resonancia magnética, rayos X, medicina nuclear o ultrasonidos, se pueden obtener imágenes del cuerpo humano para realizar diagnósticos. Para que esas imágenes puedan ser utilizadas con ese fin hay que realizar un correcto tratamiento de éstas mediante técnicas de procesado digital. En ése ámbito del procesado digital de las imágenes médicas es en el que se ha realizado este proyecto. Gracias al desarrollo del tratamiento digital de imágenes con métodos de extracción de información, mejora de la visualización o resaltado de rasgos de interés de las imágenes, se puede facilitar y mejorar el diagnóstico de los especialistas. Por todo esto en una época en la que se quieren automatizar todos los procesos para mejorar la eficacia del trabajo realizado, el automatizar el procesado de las imágenes para extraer información con mayor facilidad, es muy útil. Actualmente una de las herramientas más potentes en el tratamiento de imágenes médicas es Matlab, gracias a su toolbox de procesado de imágenes. Por ello se eligió este software para el desarrollo de la parte práctica de este proyecto, su potencia y versatilidad simplifican la implementación de algoritmos. Este proyecto se estructura en dos partes. En la primera se realiza una descripción general de las diferentes modalidades de obtención de imágenes médicas y se explican los diferentes usos de cada método, dependiendo del campo de aplicación. Posteriormente se hace una descripción de las técnicas más importantes de procesado de imagen digital que han sido utilizadas en el proyecto. En la segunda parte se desarrollan cuatro aplicaciones en Matlab para ejemplificar el desarrollo de algoritmos de procesado de imágenes médicas. Dichas implementaciones demuestran la aplicación y utilidad de los conceptos explicados anteriormente en la parte teórica, como la segmentación y operaciones de filtrado espacial de la imagen, así como otros conceptos específicos. Las aplicaciones ejemplo desarrolladas han sido: obtención del porcentaje de metástasis de un tejido, diagnóstico de las deformidades de la columna vertebral, obtención de la MTF de una cámara de rayos gamma y medida del área de un fibroadenoma de una ecografía de mama. Por último, para cada una de las aplicaciones se detallará su utilidad en el campo de la imagen médica, los resultados obtenidos y su implementación en una interfaz gráfica para facilitar su uso. ABSTRACT. The relationship between medicine and engineering is becoming closer than ever giving birth to a recently appeared science field: bioengineering. This project is focused on this subject. This recent field is becoming more and more important due to the fast development of new technologies that provide tools to improve disease diagnosis, with regard to traditional procedures. In bioengineering the fastest growing field is medical imaging, in which we can obtain images of the inside of the human body without need of surgery. Nowadays by means of the medical modalities of magnetic resonance, X ray, nuclear medicine or ultrasound, we can obtain images to make a more accurate diagnosis. For those images to be useful within the medical field, they should be processed properly with some digital image processing techniques. It is in this field of digital medical image processing where this project is developed. Thanks to the development of digital image processing providing methods for data collection, improved visualization or data highlighting, diagnosis can be eased and facilitated. In an age where automation of processes is much sought, automated digital image processing to ease data collection is extremely useful. One of the most powerful image processing tools is Matlab, together with its image processing toolbox. That is the reason why that software was chosen to develop the practical algorithms in this project. This final project is divided into two main parts. Firstly, the different modalities for obtaining medical images will be described. The different usages of each method according to the application will also be specified. Afterwards we will give a brief description of the most important image processing tools that have been used in the project. Secondly, four algorithms in Matlab are implemented, to provide practical examples of medical image processing algorithms. This implementation shows the usefulness of the concepts previously explained in the first part, such as: segmentation or spatial filtering. The particular applications examples that have been developed are: calculation of the metastasis percentage of a tissue, diagnosis of spinal deformity, approximation to the MTF of a gamma camera, and measurement of the area of a fibroadenoma in an ultrasound image. Finally, for each of the applications developed, we will detail its usefulness within the medical field, the results obtained, and its implementation in a graphical user interface to ensure ease of use.