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Tipo: Tese
Título: Structural and Contextual Multi-Scale Active Contour (SEMS-AC): um método de segmentação de imagens biomédicas baseado em informações contextuais e estruturais
Título em inglês: Structural and Contextual Multi-Scale Active Contour (SEMS-AC): a biomedical image segmentation method based on contextual and structural information
Autor(es): Ohata, Elene Firmeza
Orientador: Rebouças Filho, Pedro Pedrosa
Coorientador: Rocha, Atslands Rego da
Palavras-chave em português: Processamento de imagem assistido por computador;Contornos ativos;Mapas de ativação;Tomografia computadorizada de emissão de fóton único;Segmentação de imagens
Palavras-chave em inglês: Image processing, computer-assisted;Active contours;Activation maps;Tomography, emission-computed, single-photon;Image segmentation
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Data do documento: 2025
Citação: OHATA, Elene Firmeza. Structural and Contextual Multi-Scale Active Contour (SEMS-AC): um método de segmentação de imagens biomédicas baseado em informações contextuais e estruturais. 2025. 145 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: A segmentação de imagens médicas é um desafio central em sistemas de apoio ao diagnóstico, uma vez que exige precisão morfológica e robustez frente à variabilidade anatômica, patológica e às condições de aquisição dos exames. Neste trabalho, propõe-se o Structural and Contextual Multi-Scale Active Contour (SEMS-AC), um método híbrido baseado na integração de informações contextuais e estruturais em diferentes escalas, que combina mapas de ativação contextual, esqueletização estrutural e forças multiescala em um modelo de contorno ativo multimodal. A formulação do método organiza-se em duas forças complementares: a energia externa, denominada Multiscale Feature Force, que fornece suporte estrutural derivado da extração hierárquica de características; e a energia interna, Structural Activation Force, construída a partir de representações geométricas de regiões discriminativas, como esqueletos e pontos centrais, capazes de guiar a curva de forma localizada e coerente com a organização anatômica. O SEMS-AC foi avaliado em dois cenários clínicos complementares: a segmentação pulmonar em imagens de tomografia computadorizada (TC) de tórax, envolvendo indivíduos sadios e pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica e fibrose pulmonar; e a segmentação de lesões hemorrágicas decorrentes de acidente vascular cerebral (AVC) em imagens de TC de crânio, caracterizadas por elevada heterogeneidade de forma, intensidade e localização. A avaliação quantitativa incluiu métricas de classificação binária (Acurácia, Especificidade, Precisão, Sensibilidade e Coeficiente de Correlação de Matthews) e de similaridade espacial (Índice de Jaccard, Coeficiente de Dice e Distância de Hausdorff), complementadas por análise qualitativa. Os resultados evidenciaram desempenho competitivo frente a métodos do estado da arte, mostrando que o SEMS-AC é capaz de preservar a fidelidade geométrica das regiões segmentadas e reduzir falhas associadas a fronteiras difusas. Além disso, o modelo favorece segmentações mais transparentes e interpretáveis, estabelecendo um arcabouço promissor para aplicações biomédicas que demandam confiabilidade, explicabilidade e suporte efetivo à decisão clínica.
Abstract: Medical image segmentation is a central challenge in computer-aided diagnosis systems, as it requires morphological precision and robustness in the face of anatomical and pathological variability as well as image acquisition conditions. In this work, we propose the Structural and Contextual Multi-Scale Active Contour (SEMS-AC), a hybrid method based on the integration of contextual and structural information at different scales, which combines contextual activation maps, structural skeletonization, and multiscale forces in a multimodal active contour model. The formulation of the method is organized into two complementary forces: the external energy, called Multiscale Feature Force (MFF), which provides structural support derived from the hierarchical extraction of features; and the internal energy, Structural Activation Force (SAF), constructed from geometric representations of discriminative regions, such as skeletons and central points, capable of guiding the curve in a localized manner consistent with anatomical organization. SEMS-AC was evaluated in two complementary clinical scenarios: lung segmentation in chest computed tomography (CT) images, including healthy individuals and patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and pulmonary fibrosis; and segmentation of hemorrhagic lesions resulting from stroke in brain CT images, characterized by high heterogeneity of shape, intensity, and location. Quantitative evaluation included binary classification metrics (Accuracy, Specificity, Precision, Sensitivity, and Matthews Correlation Coefficient) and spatial similarity metrics (Jaccard Index, Dice Coefficient, and Hausdorff Distance), complemented by qualitative analysis. The results showed competitive performance compared to state-of-the-art methods, demonstrating that SEMS-AC is capable of preserving the geometric fidelity of segmented regions and reducing errors associated with diffuse boundaries. Furthermore, the model promotes more transparent and interpretable segmentations, establishing a promising framework for biomedical applications that demand reliability, explainability, and effective support for clinical decision-making.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84536
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/0300216434731725
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0002-1878-5489
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/4347965302097614
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0002-3069-132X
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/3272159643458627
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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