` UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PARMA DIPARTIMENTODIINGEGNERIADELL’INFORMAZIONE Dottorato di Ricerca in Tecnologie dell’Informazione XXVI Ciclo Pablo Mesejo Santiago AUTOMATIC SEGMENTATION OF ANATOMICAL STRUCTURES USING DEFORMABLE MODELS AND BIO-INSPIRED/SOFT COMPUTING DISSERTAZIONEPRESENTATAPERILCONSEGUIMENTO DELTITOLODIDOTTOREDIRICERCA Gennaio2014 ` UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PARMA DOTTORATODIRICERCAINTECNOLOGIEDELL’INFORMAZIONE XXVICiclo AUTOMATIC SEGMENTATION OF ANATOMICAL STRUCTURES USING DEFORMABLE MODELS AND BIO-INSPIRED/SOFT COMPUTING Coordinatore: Chiar.mo. Prof. MarcoLocatelli Relatore: Chiar.mo. Prof. StefanoCagnoni Autore: PabloMesejoSantiago Gennaio2014 DedicatedtomymotherandSofia, withgratitude,respectandadmiration. Contents Abstract 9 1 Introduction 10 PartI:Fundamentals 16 2 TheoreticalBackground 17 2.1 MedicalImageSegmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 DeformableModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ParametricDeformableModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 GeometricDeformableModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3 MedicalImageRegistration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4 TextureandGrayLevelCo-OccurrenceMatrix . . . . . . . . . . . . 29 2.5 SoftComputing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Metaheuristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Classificationproblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3 Datasets 47 3.1 MedicalImaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 iii CONTENTS iv 3.2 MicroscopyImages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3 ComputedTomographyImages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.4 MagneticResonanceImages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4 MedicalImageSegmentationusingDMsandSC 62 4.1 StatisticalShapeModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2 LevelSetMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 PartII:ProposedMethods 90 5 HippocampusSegmentationusingASMsandRF 93 5.1 HistologicalImagesandHippocampus . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.2 DE-basedhippocampuslocalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 BestReferenceSliceSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 HippocampusLocalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 TargetFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3 SegmentationusingIterativeOtsu’sThresholdingMethodandRF . . 116 Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 ExpansionoftheSegmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.4 Real-worldapplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 6 HippocampusSegmentationusingaMH-basedLSApproach 141 6.1 PreviousApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 CONTENTS v 6.2 ProposedMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 TrainingPhase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 TestPhase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 6.3 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 7 BiomedicalISusingGeometricDMsandMHs 154 7.1 ProposedMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Registration-basedprior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Forceterms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Parameterlearningusingmetaheuristics . . . . . . . . . . . . . . . . 160 7.2 ExperimentalSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Methodsincludedinthecomparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Parametersettings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 7.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 PartIII:FinalRemarks 180 8 FurtherWork 181 9 SummaryandConclusions 183 AppendixI:StatisticaltestsforanalyzingSCtechniquesbehaviour 187 AppendixII:StandardSegmentationMetrics 194 CONTENTS vi AppendixIII:PublicationsJuly2010-July2013 196 AppendixIV:ListofAbbreviations 200 Bibliography 204
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