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Type: Tese
Title: Detecção e Classificação de Acidente Vascular Cerebral em Imagens de Tomografia Computadorizada por Extração de Características com Base na Análise Adaptativa da Vizinhança e Estimação de Parzen
Authors: Sarmento, Roger Moura
Advisor: Rebouças Filho, Pedro Pedrosa
Keywords: Acidente vascular cerebral;Tomografia;Radiologia
Issue Date: 23-Apr-2021
Citation: SARMENTO, R. M. Detecção e classificação de acidente vascular cerebral em imagens de tomografia computadorizada por extração de características com base na análise adaptativa da vizinhança e estimação de parzen. 2021. 153 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
Abstract in Brazilian Portuguese: O Acidente Vascular Cerebral (AVC) constitui um grave problema de saúde mundial com elevados índices de mortalidade. Esta doença é a segunda maior causa de morte no mundo, com aproximadamente 5,7 milhões de casos por ano, caracterizando cerca de 10% de todos os óbitos mundiais. Além disso, o AVC ainda é uma das principais causas de morbidade, hospitalizações e incapacidades adquiridas. No entanto, as chances de recuperação são altas quando o diagnóstico é rápido e o tratamento apropriado é administrado. Dentre os exames de imagem que assistem no diagnóstico e tratamento do AVC, a Tomografia Computadorizada (TC) apresenta-se como a técnica mais adequada, uma vez que possibilita verificar a extensão e a severidade nos casos detectados. Por ser um problema com caráter emergencial, cuja identificação e mensuração precoce são difíceis, diversos estudos na área de Visão Computacional são realizados para desenvolver técnicas e sistemas capazes de detectar e classificar um AVC automaticamente. Esses sistemas de auxílio ao diagnóstico médico utilizam as imagens obtidas por exames de TC para extrair informações imperceptíveis ao olho humano. Neste sentido, este trabalho centraliza seus esforços na etapa de caracterização da região de interesse propondo dois novos métodos para extração de características baseados na análise dos padrões de densidades radiológicas do tecido cerebral. Estes novos descritores são aperfeiçoamentos do método Analysis of Brain Tissue Densities (ABTD) e visam aumentar a acurácia e diminuir a subjetividade nas faixas de densidades radiológicas. O primeiro método, denominado Adaptive Analysis of Brain Tissue Densities (Adaptive ABTD) tem como principal contribuição a realização de uma análise adaptativa da vizinhança do pixel para então decidir a qual faixa de unidade Hounsfield (UH) o pixel pertence, ou seja, Adaptive ABTD leva em conta características locais de cada pixel e não só o valor de UH do pixel como na implementação original do Analysis of Brain Tissue Density (ABTD). Esta análise adaptativa em cada pixel da imagem faz com que os mapas de atributos criados pelo método proposto sejam mais suaves, evidenciando regiões do tecido cerebral mais claramente. O segundo método é o Parzen Analysis of Brain Tissue Densities (PABTD), esse descritor realiza uma análise probabilística sobre os níveis de atenuação radiológicas de cada pixels da imagem, isto significa que o PABTD estima uma função de densidade de probabilidade para cada pixel utilizando a técnica janela de Parzen-Rosenblatt. A inserção desta etapa de estimativa de probabilidade confere ao método maior acurácia e confiabilidade na determinação dos pixels reais de tecido cerebral. Esses métodos são abordagens específicas para extração de características relevantes em imagens de TC que auxiliem no processo de identificação e classificação dos tipos de AVC. Para a avaliação do desempenho dos descritores propostos, seus resultados são comparados com extratores já consolidados na literatura, como, por exemplo, matriz de coocorrência de níveis de cinza (GLCM), padrões binários locais (LBP), Momentos Estatísticos e o método ABTD original. Para isso os extratores foram aplicados em uma base de dados de imagens de TC do crânio contendo as classes de AVC: normal, isquêmico ou hemorrágico. Em seguida, os vetores de características resultantes foram utilizados como entrada para os classificadores Bayesiano, K-NN, MLP, SVM e OPF, que geraram scores para representar a probabilidade de as amostras pertencerem a cada uma das três classes. Os métodos propostos apresentaram resultados promissores, superando os demais extratores em todas as métricas estatísticas avaliadas. Os dois métodos alcançaram os melhores resultados quando combinados com o classificador SVM com kernel RBF atingindo uma taxa de acurácia média acima de 98%, F1 score acima de 97%, valor preditivo negativo e positivo acima de 97%. Com base na relevância dos resultados obtidos, pode-se concluir que os métodos Adaptive ABTD e PABTD são algoritmos úteis para extração de características de imagens de TC do cérebro e superiores aos demais descritores do estado da arte. Deste modo, pode-se concluir que estes métodos apresentam potencial para integrar sistemas que auxiliem o diagnóstico médico para detecção e classificação de AVC.
Abstract: Stroke is a severe global health problem with high mortality rates. This disease is the second leading cause of death globally, with approximately 5.7 million per year, characterizing about 10% of all deaths worldwide. Also, stroke is still a significant cause of morbidity, hospitalizations, and acquired disabilities. However, the chances of recovery are high when the diagnosis is early, and the appropriate treatment is administered. Among the imaging tests that assist in diagnosing and treating stroke, Computed Tomography (CT) is the most appropriate technique since it allows to verify the extent and severity of the detected cases. Since it is an emergency with difficult identification and early measurement, several Computer Vision studies have developed new techniques and systems capable of automatically detecting and classifying a stroke. These computer-aided diagnoses use the images obtained by CT scans to extract information invisible to the human eye. In this sense, this work focuses on characterizing the region of interest, proposing two new methods for extracting features based on the analysis of the patterns of radiological densities of brain tissue. These new descriptors are improvements to the Analysis of Brain Tissue Densities (ABTD) method and aim to increase precision and decrease subjectivity in the radiological density ranges. The first method, called Adaptive Analysis of Brain Tissue Densities, has as the main contribution an adaptive analysis of the pixel’s neighborhood to determine which Hounsfield unit (HU) range the pixel belongs to. Thus, Adaptive ABTD considers the local characteristics of each pixel and not only the HU value of a pixel as in the original implementation of ABTD. This adaptive analysis in each pixel of the image makes the feature maps created by the proposed method smoother, showing regions of the brain tissue more clearly. The second method, Parzen Analysis of Brain Tissue Densities (PABTD), is a descriptor that performs a probabilistic analysis on the radiological attenuation levels of each pixel of the image. The PABTD estimates a probability density function for each pixel using the Parzen-Rosenblatt window technique. The insertion of this probability estimation step gives the method greater precision and reliability in determining the actual pixels of brain tissue. These methods are specific approaches for extracting relevant features in CT images that assist in identifying and classifying stroke types. For the performance evaluation of the proposed descriptors, their results were compared with extractors already consolidated in the literature, such as grey-level co-occurrence matrix (GLCM), local binary standards (LBP), Statistical Moments, and the original ABTD method. The extractors were applied to a database of CT images of the skull containing three classes of stroke: normal, ischemic, or hemorrhagic. Then, the resulting feature vectors were used as input for the Bayesian, K-NN, MLP, SVM, and OPF classifiers, which generated scores to represent the probability of the samples belonging to each of the three classes. The proposed methods showed promising results, surpassing the other extractors in all evaluated statistical metrics. Both ways achieved the best results when combined with the SVM classifier with kernel RBF, reaching an average accuracy rate above 98%, F1 score above 97%, and negative and positive predictive value above 96%. Based on the results obtained, we conclude that the Adaptive methods ABTD and PABTD are practical algorithms for extracting features of CT images of the brain and superior to the other state-of-the-art descriptors. Thus, we conclude that these methods can integrate systems that assist medical diagnosis for detecting and classifying strokes.
Description: SARMENTO, Róger Moura. Detecção e Classificação de Acidente Vascular Cerebral em Imagens de Tomografia Computadorizada por Extração de Características com Base na Análise Adaptativa da Vizinhança e Estimação de Parzen. 2021. 154 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/68012
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