Non-evolutive pattern recognition techniques: An application in medical image diagnostics

Lo studio dell’intelligenza artificiale si pone come obiettivo la risoluzione di una classe di problemi che richiedono processi cognitivi difficilmente codificabili in un algoritmo per essere risolti. Il riconoscimento visivo di forme e figure, l’interpretazione di suoni, i giochi a conoscenza incompleta, fanno capo alla capacità umana di interpretare input parziali come se fossero completi, e di agire di conseguenza. Nel primo capitolo della presente tesi sarà costruito un semplice formalismo matematico per descrivere l’atto di compiere scelte. Il processo di “apprendimento” verrà descritto in termini della massimizzazione di una funzione di prestazione su di uno spazio di parametri per un ansatz di una funzione da uno spazio vettoriale ad un insieme finito e discreto di scelte, tramite un set di addestramento che descrive degli esempi di scelte corrette da riprodurre. Saranno analizzate, alla luce di questo formalismo, alcune delle più diffuse tecniche di artificial intelligence, e saranno evidenziate alcune problematiche derivanti dall’uso di queste tecniche. Nel secondo capitolo lo stesso formalismo verrà applicato ad una ridefinizione meno intuitiva ma più funzionale di funzione di prestazione che permetterà, per un ansatz lineare, la formulazione esplicita di un set di equazioni nelle componenti del vettore nello spazio dei parametri che individua il massimo assoluto della funzione di prestazione. La soluzione di questo set di equazioni sarà trattata grazie al teorema delle contrazioni. Una naturale generalizzazione polinomiale verrà inoltre mostrata. Nel terzo capitolo verranno studiati più nel dettaglio alcuni esempi a cui quanto ricavato nel secondo capitolo può essere applicato. Verrà introdotto il concetto di grado intrinseco di un problema. Verranno inoltre discusse alcuni accorgimenti prestazionali, quali l’eliminazione degli zeri, la precomputazione analitica, il fingerprinting e il riordino delle componenti per lo sviluppo parziale di prodotti scalari ad alta dimensionalità. Verranno infine introdotti i problemi a scelta unica, ossia quella classe di problemi per cui è possibile disporre di un set di addestramento solo per una scelta. Nel quarto capitolo verrà discusso più in dettaglio un esempio di applicazione nel campo della diagnostica medica per immagini, in particolare verrà trattato il problema della computer aided detection per il rilevamento di microcalcificazioni nelle mammografie.

Segmentazione di immagini mammografiche con convolutional neural networks

Il tumore al seno si colloca al primo posto per livello di mortalità tra le patologie tumorali che colpiscono la popolazione femminile mondiale. Diversi studi clinici hanno dimostrato come la diagnosi da parte del radiologo possa essere aiutata e migliorata dai sistemi di Computer Aided Detection (CAD). A causa della grande variabilità di forma e dimensioni delle masse tumorali e della somiglianza di queste con i tessuti che le ospitano, la loro ricerca automatizzata è un problema estremamente complicato. Un sistema di CAD è generalmente composto da due livelli di classificazione: la detection, responsabile dell’individuazione delle regioni sospette presenti sul mammogramma (ROI) e quindi dell’eliminazione preventiva delle zone non a rischio; la classificazione vera e propria (classification) delle ROI in masse e tessuto sano. Lo scopo principale di questa tesi è lo studio di nuove metodologie di detection che possano migliorare le prestazioni ottenute con le tecniche tradizionali. Si considera la detection come un problema di apprendimento supervisionato e lo si affronta mediante le Convolutional Neural Networks (CNN), un algoritmo appartenente al deep learning, nuova branca del machine learning. Le CNN si ispirano alle scoperte di Hubel e Wiesel riguardanti due tipi base di cellule identificate nella corteccia visiva dei gatti: le cellule semplici (S), che rispondono a stimoli simili ai bordi, e le cellule complesse (C) che sono localmente invarianti all’esatta posizione dello stimolo. In analogia con la corteccia visiva, le CNN utilizzano un’architettura profonda caratterizzata da strati che eseguono sulle immagini, alternativamente, operazioni di convoluzione e subsampling. Le CNN, che hanno un input bidimensionale, vengono solitamente usate per problemi di classificazione e riconoscimento automatico di immagini quali oggetti, facce e loghi o per l’analisi di documenti.

Software zur automatischen Tumordiagnose in der funktionalen MRT der weiblichen Brust

In den westlichen Industrieländern ist das Mammakarzinom der häufigste bösartige Tumor der Frau. Sein weltweiter Anteil an allen Krebserkrankungen der Frau beläuft sich auf etwa 21 %. Inzwischen ist jede neunte Frau bedroht, während ihres Lebens an Brustkrebs zu erkranken. Die alterstandardisierte Mortalitätrate liegt derzeit bei knapp 27 %.rnrnDas Mammakarzinom hat eine relative geringe Wachstumsrate. Die Existenz eines diagnostischen Verfahrens, mit dem alle Mammakarzinome unter 10 mm Durchmesser erkannt und entfernt werden, würden den Tod durch Brustkrebs praktisch beseitigen. Denn die 20-Jahres-Überlebungsrate bei Erkrankung durch initiale Karzinome der Größe 5 bis 10 mm liegt mit über 95 % sehr hoch.rnrnMit der Kontrastmittel gestützten Bildgebung durch die MRT steht eine relativ junge Untersuchungsmethode zur Verfügung, die sensitiv genug zur Erkennung von Karzinomen ab einer Größe von 3 mm Durchmesser ist. Die diagnostische Methodik ist jedoch komplex, fehleranfällig, erfordert eine lange Einarbeitungszeit und somit viel Erfahrung des Radiologen.rnrnEine Computer unterstützte Diagnosesoftware kann die Qualität einer solch komplexen Diagnose erhöhen oder zumindest den Prozess beschleunigen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer vollautomatischen Diagnose Software, die als Zweitmeinungssystem eingesetzt werden kann. Meines Wissens existiert eine solche komplette Software bis heute nicht.rnrnDie Software führt eine Kette von verschiedenen Bildverarbeitungsschritten aus, die dem Vorgehen des Radiologen nachgeahmt wurden. Als Ergebnis wird eine selbstständige Diagnose für jede gefundene Läsion erstellt: Zuerst eleminiert eine 3d Bildregistrierung Bewegungsartefakte als Vorverarbeitungsschritt, um die Bildqualität der nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu verbessern. Jedes kontrastanreichernde Objekt wird durch eine regelbasierte Segmentierung mit adaptiven Schwellwerten detektiert. Durch die Berechnung kinetischer und morphologischer Merkmale werden die Eigenschaften der Kontrastmittelaufnahme, Form-, Rand- und Textureeigenschaften für jedes Objekt beschrieben. Abschließend werden basierend auf den erhobenen Featurevektor durch zwei trainierte neuronale Netze jedes Objekt in zusätzliche Funde oder in gut- oder bösartige Läsionen klassifiziert.rnrnDie Leistungsfähigkeit der Software wurde auf Bilddaten von 101 weiblichen Patientinnen getested, die 141 histologisch gesicherte Läsionen enthielten. Die Vorhersage der Gesundheit dieser Läsionen ergab eine Sensitivität von 88 % bei einer Spezifität von 72 %. Diese Werte sind den in der Literatur bekannten Vorhersagen von Expertenradiologen ähnlich. Die Vorhersagen enthielten durchschnittlich 2,5 zusätzliche bösartige Funde pro Patientin, die sich als falsch klassifizierte Artefakte herausstellten.rn

Protocolli di bioprinting in ingegneria dei tessuti

L’argomento trattato in questo elaborato riguarda una nuova tecnologia che si sta sviluppando nell’ambito dell’ingegneria dei tessuti: il Bioprinting. Tale rivoluzionario approccio completamente automatizzato, grazie all’utilizzo dell’elaborazione automatica delle immagini CAD (Computer Aided Design) e la fabbricazione assistita al calcolatore CAM (Computer Aided Manufacturing), si propone di ricreare tessuti e/o organi. In particolare nel seguito ne verrà data una definizione e ne verranno definiti i campi di applicazione, per poi proseguire con un’analisi del processo dal punto di vista delle fasi che lo compongono e la speciale tecnologia utilizzata. Infine verrà proposto qualche studio fatto in merito ai tessuti vascolari e alla cartilagine per poi concludere con i pionieri che tuttora contribuiscono al suo sviluppo e con Organovo, una delle aziende leader del settore.

Anpassung des Metamodells PerPot an den ausdauerorientierten Laufsport zur Trainings- und Wettkampfoptimierung

Schon seit einigen Jahrzehnten wird die Sportwissenschaft durch computergestützte Methoden in ihrer Arbeit unterstützt. Mit der stetigen Weiterentwicklung der Technik kann seit einigen Jahren auch zunehmend die Sportpraxis von deren Einsatz profitieren. Mathematische und informatische Modelle sowie Algorithmen werden zur Leistungsoptimierung sowohl im Mannschafts- als auch im Individualsport genutzt. In der vorliegenden Arbeit wird das von Prof. Perl im Jahr 2000 entwickelte Metamodell PerPot an den ausdauerorientierten Laufsport angepasst. Die Änderungen betreffen sowohl die interne Modellstruktur als auch die Art der Ermittlung der Modellparameter. Damit das Modell in der Sportpraxis eingesetzt werden kann, wurde ein Kalibrierungs-Test entwickelt, mit dem die spezifischen Modellparameter an den jeweiligen Sportler individuell angepasst werden. Mit dem angepassten Modell ist es möglich, aus gegebenen Geschwindigkeitsprofilen die korrespondierenden Herzfrequenzverläufe abzubilden. Mit dem auf den Athleten eingestellten Modell können anschliessend Simulationen von Läufen durch die Eingabe von Geschwindigkeitsprofilen durchgeführt werden. Die Simulationen können in der Praxis zur Optimierung des Trainings und der Wettkämpfe verwendet werden. Das Training kann durch die Ermittlung einer simulativ bestimmten individuellen anaeroben Schwellenherzfrequenz optimal gesteuert werden. Die statistische Auswertung der PerPot-Schwelle zeigt signifikante Übereinstimmungen mit den in der Sportpraxis üblichen invasiv bestimmten Laktatschwellen. Die Wettkämpfe können durch die Ermittlung eines optimalen Geschwindigkeitsprofils durch verschiedene simulationsbasierte Optimierungsverfahren unterstützt werden. Bei der neuesten Methode erhält der Athlet sogar im Laufe des Wettkampfs aktuelle Prognosen, die auf den Geschwindigkeits- und Herzfrequenzdaten basieren, die während des Wettkampfs gemessen werden. Die mit PerPot optimierten Wettkampfzielzeiten für die Athleten zeigen eine hohe Prognosegüte im Vergleich zu den tatsächlich erreichten Zielzeiten.

Modellazione e rendering del lungomare di Riccione mediante Blender

Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare un modello tridimensionale del lungomare di Riccione, mediante l'uso di programmi di modellazione, grafica e CAD (computer aided design). Lo scopo è di riprodurre un intero ambiente virtuale che l'utente sia libero di esplorare e in cui possa muoversi in totale libertà. Il possibile utilizzo di un tale progetto è quindi essenzialmente divulgativo o a fini turistici, poiché permette di far conoscere il lungomare di Riccione e di farlo esplorare attivamente dall'utente attraverso il computer comodamente da casa. Questo potrebbe successivamente invogliare gli utenti a visitare dal vivo la città, destando curiosità in merito agli arredi turistici precedentemente osservati in maniera virtuale.

Bioprinting: Stato dell'arte ed applicazioni biomediche

L’argomento trattato in questo elaborato riguarda una nuova tecnologia che si sta sviluppando nel settore dell’ingegneria dei tessuti: il Bioprinting. Tale rivoluzionario approccio completamente automatizzato, consiste nell’elaborazione automatica delle immagini CAD (Computer-Aided Design) e nella fabbricazione assistita CAM (Computer-Aided Manufacturing) al fine di ricreare tessuti ed organi. Nel seguito verrà data una definizione del processo, verranno analizzate le varie fasi di laborazione, le tecniche ed i materiali utilizzati. Verranno infine riportati studi riguardanti alcune applicazioni della tecnica, quali la realizzazione di vasi sanguigni, cartilagine e pelle.

The Equidistant Method - a novel hip joint simulation algorithm for detection of femoroacetabular impingement

A novel computerized algorithm for hip joint motion simulation and collision detection, called the Equidistant Method, has been developed. This was compared to three pre-existing methods having different properties regarding definition of the hip joint center and behavior after collision detection. It was proposed that the Equidistant Method would be most accurate in detecting the location and extent of femoroacetabular impingement.

Automated detection of fiducial screws from CT/DVT volume data for image-guided ENT surgery

This paper presents an automated solution for precise detection of fiducial screws from three-dimensional (3D) Computerized Tomography (CT)/Digital Volume Tomography (DVT) data for image-guided ENT surgery. Unlike previously published solutions, we regard the detection of the fiducial screws from the CT/DVT volume data as a pose estimation problem. We thus developed a model-based solution. Starting from a user-supplied initialization, our solution detects the fiducial screws by iteratively matching a computer aided design (CAD) model of the fiducial screw to features extracted from the CT/DVT data. We validated our solution on one conventional CT dataset and on five DVT volume datasets, resulting in a total detection of 24 fiducial screws. Our experimental results indicate that the proposed solution achieves much higher reproducibility and precision than the manual detection. Further comparison shows that the proposed solution produces better results on the DVT dataset than on the conventional CT dataset.

Comparison of three optical tracking systems in a complex navigation scenario

Three-dimensional rotational X-ray imaging with the SIREMOBIL Iso-C3D (Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen, Germany) has become a well-established intra-operative imaging modality. In combination with a tracking system, the Iso-C3D provides inherently registered image volumes ready for direct navigation. This is achieved by means of a pre-calibration procedure. The aim of this study was to investigate the influence of the tracking system used on the overall navigation accuracy of direct Iso-C3D navigation. Three models of tracking system were used in the study: Two Optotrak 3020s, a Polaris P4 and a Polaris Spectra system, with both Polaris systems being in the passive operation mode. The evaluation was carried out at two different sites using two Iso-C3D devices. To measure the navigation accuracy, a number of phantom experiments were conducted using an acrylic phantom equipped with titanium spheres. After scanning, a special pointer was used to pinpoint these markers. The difference between the digitized and navigated positions served as the accuracy measure. Up to 20 phantom scans were performed for each tracking system. The average accuracy measured was 0.86 mm and 0.96 mm for the two Optotrak 3020 systems, 1.15 mm for the Polaris P4, and 1.04 mm for the Polaris Spectra system. For the Polaris systems a higher maximal error was found, but all three systems yielded similar minimal errors. On average, all tracking systems used in this study could deliver similar navigation accuracy. The passive Polaris system showed ? as expected ? higher maximal errors; however, depending on the application constraints, this might be negligible.

Automated cement segmentation in vertebroplasty

Vertebroplasty is a minimally invasive procedure with many benefits; however, the procedure is not without risks and potential complications, of which leakage of the cement out of the vertebral body and into the surrounding tissues is one of the most serious. Cement can leak into the spinal canal, venous system, soft tissues, lungs and intradiscal space, causing serious neurological complications, tissue necrosis or pulmonary embolism. We present a method for automatic segmentation and tracking of bone cement during vertebroplasty procedures, as a first step towards developing a warning system to avoid cement leakage outside the vertebral body. We show that by using active contours based on level sets the shape of the injected cement can be accurately detected. The model has been improved for segmentation as proposed in our previous work by including a term that restricts the level set function to the vertebral body. The method has been applied to a set of real intra-operative X-ray images and the results show that the algorithm can successfully detect different shapes with blurred and not well-defined boundaries, where the classical active contours segmentation is not applicable. The method has been positively evaluated by physicians.

Maintenance of implant-supported maxillary prostheses: a 2-year controlled clinical trial

To analyze maintenance service of fixed maxillary prostheses and overdentures based on conventional gold bars or titanium bars and frameworks fabricated with computer-aided design/computer-assisted manufacture (CAD/CAM) technology.

A navigation system for percutaneous needle interventions based on PET/CT images: design, workflow and error analysis of soft tissue and bone punctures

Percutaneous needle intervention based on PET/CT images is effective, but exposes the patient to unnecessary radiation due to the increased number of CT scans required. Computer assisted intervention can reduce the number of scans, but requires handling, matching and visualization of two different datasets. While one dataset is used for target definition according to metabolism, the other is used for instrument guidance according to anatomical structures. No navigation systems capable of handling such data and performing PET/CT image-based procedures while following clinically approved protocols for oncologic percutaneous interventions are available. The need for such systems is emphasized in scenarios where the target can be located in different types of tissue such as bone and soft tissue. These two tissues require different clinical protocols for puncturing and may therefore give rise to different problems during the navigated intervention. Studies comparing the performance of navigated needle interventions targeting lesions located in these two types of tissue are not often found in the literature. Hence, this paper presents an optical navigation system for percutaneous needle interventions based on PET/CT images. The system provides viewers for guiding the physician to the target with real-time visualization of PET/CT datasets, and is able to handle targets located in both bone and soft tissue. The navigation system and the required clinical workflow were designed taking into consideration clinical protocols and requirements, and the system is thus operable by a single person, even during transition to the sterile phase. Both the system and the workflow were evaluated in an initial set of experiments simulating 41 lesions (23 located in bone tissue and 18 in soft tissue) in swine cadavers. We also measured and decomposed the overall system error into distinct error sources, which allowed for the identification of particularities involved in the process as well as highlighting the differences between bone and soft tissue punctures. An overall average error of 4.23 mm and 3.07 mm for bone and soft tissue punctures, respectively, demonstrated the feasibility of using this system for such interventions. The proposed system workflow was shown to be effective in separating the preparation from the sterile phase, as well as in keeping the system manageable by a single operator. Among the distinct sources of error, the user error based on the system accuracy (defined as the distance from the planned target to the actual needle tip) appeared to be the most significant. Bone punctures showed higher user error, whereas soft tissue punctures showed higher tissue deformation error.

Anisotropy in plastic deformation of extruded magnesium alloy sheet during tensile straining at high temperature

Experimental measurements are used to characterize the anisotropy of flow stress in extruded magnesium alloy AZ31 sheet during uniaxial tension tests at temperatures between 350°C and 450°C, and strain rates ranging from 10-5 to 10-2 s-1. The sheet exhibits lower flow stress and higher tensile ductility when loaded with the tensile axis perpendicular to the extrusion direction compared to when it is loaded parallel to the extrusion direction. This anisotropy is found to be grain size, strain rate, and temperature dependent, but is only weakly dependent on texture. A microstructure based model (D. E. Cipoletti, A. F. Bower, P. E. Krajewski, Scr. Mater., 64 (2011) 931–934) is used to explain the origin of the anisotropic behavior. In contrast to room temperature behavior, where anisotropy is principally a consequence of the low resistance to slip on the basal slip system, elevated temperature anisotropy is found to be caused by the grain structure of extruded sheet. The grains are elongated parallel to the extrusion direction, leading to a lower effective grain size perpendicular to the extrusion direction. As a result, grain boundary sliding occurs more readily if the material is loaded perpendicular to the extrusion direction.