Model-based segmentation and texture analysis of multi-modal cardiac images

doctoral thesis

• Title (croatian): Segmentacija zasnovana na modelu i analiza tekstura višemodalitetnih slika srca
• Author: Vedrana Baličević
• Mentor: Sven Lončarić (mentor)
• Committee member: Sven Lončarić (predsjednik povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Electrical Engineering and Computing; (Department of Electronic Systems and Information Processing); Zagreb
• Defense date and country: 2019, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Computing; Data Processing
• Universal decimal classification (UDC): 621.3 - Electrical engineering

Abstract

In view of prevalence and fatality of cardiac diseases in the modern world, cardiac and cardiovascular imaging modalities have become indispensable tools for clinical patient examination. They allow for visualising internal cardiac structures that are otherwise inaccessible, recognising their substructures, simplifying their visual representations and quantifying their physical and physiological characteristics. However, limitations of imaging systems and built-in algorithms for analysis of imaged data relate to an incomplete understanding of all causal links in the cardiovascular system. With the ongoing advancements in imaging technologies, experimental setups and algorithm design, there is an opportunity for clarifying the underlying cardiovascular processes more precisely. This thesis presents computational methods for analysis of different types of images that capture contraction-related scale-specific phenomena in the cardiovascular system. The analysis begins with quantification of subcellular deformation from high-resolution confocal microscopy images of isolated cardiac muscle cells during contractions. The developed algorithm combines the cross-correlation based approach with a set of mathematically formulated restrictions that regularise intracellular motion. At mid-scale level, the arrangement of myocytes within the cardiac tissue is analysed from phase-contrast micro-CT cardiac volumes. The applied method consists of estimating fibre vectors using eigen-decomposition of local gradient structure tensors, and quantifying fibre orientations in locally defined coordinate systems. At the highest level of the approach, coordinated contractions of fibres cause pumping of the blood out of the heart through the aortic valve to aorta and the rest of the body. Delineation of blood flow velocities from aortic Doppler blood flow images is achieved by coupling mathematical modeling of circulation with a procedure for atlas-based image segmentation. The described flow of research corresponds to a gradual change in imaging resolution and represents a multilevel and multimodal approach to image-based analysis of the cardiovascular system. Throughout all levels of analysis, artificial cardiac images and textures were synthesised with respect to modality-specific properties and analysed in parallel with the acquired images. This guarantees that the data of interest is balanced and representative in terms of imaged content diversity, which leads to an increase in performances of algorithms designed for their analysis.

Abstract (croatian)

S obzirom na učestalost srčanih bolesti u suvremenom svijetu i visoku stopu smrtnosti uzrokovanih bolestima srca, modaliteti oslikavanja srca i kardiovaskularnog sustava su postali nezamjenjivi prilikom kliničkih pregleda srčanih pacijenata. Oslikavanje omogućuje vizualizaciju unutarnjih srčanih struktura koje su inače nepristupačne, prepoznavanje njihovih podstruktura, njihov pojednostavljeni prikaz i mjerenje fizičkih i fizioloških veličina koje ih karakteriziraju. Međutim, ograničenja sustava za oslikavanje i algoritama za analizu snimljenih slika koji su u njih ugrađeni su djelomično uzrokovani nepotpunim razumijevanjem svih uzročno-posljedičnih veza u kardiovaskularnom sustavu. Stalni razvoj tehnologija oslikavanja, eksperimentalnih protokola i algoritama daje priliku za preciznijim razjašnjavanjem kardiovaskularnih procesa. Ova disertacija opisuje računalne metode za analizu različitih tipova slika koje prikazuju fenomene vezane uz kontrakciju srčanih mišića na različitim razinama razlučivosti na kojima se kontrakcija manifestira. Analiza započinje izračunavanjem unutarstaničnih deformacija iz visoko-rezolucijskih slika izoliranih srčanih mišićnih stanica snimljenih konfokalnim mikroskopom tijekom kontrakcija. Razvijeni algoritam povezuje pristup temeljen na kroskorelaciji sa skupom matematički formuliranih pravila kojima se reguraliziraju unutarstanični pomaci. Na srednjoj razini analize istražen je raspored stanica unutar srčanog tkiva iz slika volumena srca snimljenih fazno-kontrastnim mikroCT-om. Razvijena metoda se sastoji od procjene vektorskog polja srčanih vlakana analizom vlastitih vektora lokalnog gradijentnog strukturnog tenzora te od izračunavanja orijentacija vlakana u lokalno definiranim koordinatnim sustavima. Na najvišoj razini analize, koordinirane kontrakcije vlakana uzrokuju pumpanje krvi iz srca kroz aortni zalistak. Delineacija brzina protoka krvi iz Doppler slika aortnih protoka je postignuta povezivanjem matematičkog modela cirkulacije sa procedurom kreiranja atlasa za segmentaciju slika. Opisani tijek istraživanja prati postupnu promjenu rezolucije oslikavanja i predstavlja višerazinski višemodalitetni pristup analizi kardiovaskularnog sustava temeljenoj na obradi slike. U svim razinama analize, sintetizirane su umjetne srčane slike i teksture sa svojstvima simuliranih modaliteta koje su analizirane paralelno s kliničkim slikama. Sinteza slika osigurava uravnotežen i reprezentativan skup slika s obzirom na raznolikost prikazanih sadržaja, što omogućuje poboljšanje performansi algoritama kreiranih za njihovu analizu.

• Keywords: cardiac image analysis; mechanical deformation; structure tensors; eigenanalysis; atlas-based segmentation; circulation modeling; cardiomyocyte contraction; fibre orientation; aortic flow velocity profile; image synthesis.
• Keywords (croatian): analiza slika srca; deformacija; strukturni tenzori; analiza vlastitih vrijednosti; segmentacija slike atlasom; modeliranje krvotoka; kontrakcija srcanih stanica; orijentacija vlakana; profil brzine aortnog protoka; sinteza slika
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:965131
• Study programme: Title: Electrical Engineering and Computing; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: Doktor znanosti elektrotehnike i računarstva (Doktor znanosti elektrotehnike i računarstva)
• Type of resource: Text
• Extent: 183 str. ; 30 cm
• File origin: Born digital
• Access conditions: Access restricted to students and staff of home institution
• Created on: 2020-01-22 07:06:16