Avaliação do impacto da forma, textura e campo receptivo na segmentação de vasos sanguíneos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Silva, Weslley dos Santos
Orientador(a): Comin, Cesar Henrique lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCC
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/23404
Resumo: Blood vessel segmentation in medical images is a crucial step for the diagnosis of a wide range of pathologies, but it presents unique challenges due to the complexity and variability of the structures involved. Moreover, the lack of interpretability of Convolutional Neural Networks (CNNs) represents a significant barrier to clinical adoption, as it complicates model debugging, limits design improvements, and can reduce diagnostic confidence. In this study, we conducted systematic experiments to separately evaluate the contributions of shape, texture, and receptive field to the performance of CNNs in blood vessel segmentation. First, to assess the role of texture and pixel intensity, these features were selectively removed from image patches using pixel shuffling and normalization. Next, to isolate the influence of shape, segmentation models were trained using only the vessels’ outer contours or centerlines as input, thereby removing internal texture information. Finally, we investigated the amount of context required for robust segmentation by systematically varying the network’s theoretical receptive field. We found that, although pixel intensity is more relevant than vessel texture, CNNs can still maintain high performance even in the absence of both features. In addition, the networks are not able to easily extrapolate the full vessel shape when provided only with contours or centerlines as input. Finally, we observed that the effective receptive field used by the networks is approximately 20 pixels in the datasets employed, although global information can lead to a slight improvement in accuracy for fundus images.
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Moreover, the lack of interpretability of Convolutional Neural Networks (CNNs) represents a significant barrier to clinical adoption, as it complicates model debugging, limits design improvements, and can reduce diagnostic confidence. In this study, we conducted systematic experiments to separately evaluate the contributions of shape, texture, and receptive field to the performance of CNNs in blood vessel segmentation. First, to assess the role of texture and pixel intensity, these features were selectively removed from image patches using pixel shuffling and normalization. Next, to isolate the influence of shape, segmentation models were trained using only the vessels’ outer contours or centerlines as input, thereby removing internal texture information. Finally, we investigated the amount of context required for robust segmentation by systematically varying the network’s theoretical receptive field. We found that, although pixel intensity is more relevant than vessel texture, CNNs can still maintain high performance even in the absence of both features. In addition, the networks are not able to easily extrapolate the full vessel shape when provided only with contours or centerlines as input. Finally, we observed that the effective receptive field used by the networks is approximately 20 pixels in the datasets employed, although global information can lead to a slight improvement in accuracy for fundus images.A segmentação de vasos sanguíneos em imagens médicas é um passo crucial para o diagnóstico de diversas patologias, mas apresenta desafios únicos devido à complexidade e à variabilidade das estruturas presentes nestas. Além disso, a falta de interpretabilidade das Redes Neurais Convolucionais (CNNs) representa um obstáculo significativo à adoção clínica, pois dificulta a depuração dos modelos, limita melhorias no design e pode reduzir a confiança no diagnóstico. Neste estudo, realizamos experimentos sistemáticos para avaliar separadamente a contribuição da forma e da textura de vasos sanguíneos e também do campo receptivo de CNNs para a segmentação de tecidos vasculares. Primeiramente, para avaliar o papel da textura e da intensidade dos pixels, removemos seletivamente essas características em recortes de imagens utilizando embaralhamento e normalização de pixels. Em seguida, para isolar a influência da forma, treinamos modelos de segmentação utilizando apenas os contornos externos ou linhas centrais dos vasos como entrada, eliminando informações internas da textura. Por fim, investigamos a quantidade de contexto necessária para uma segmentação robusta, variando sistematicamente o campo receptivo teórico da rede. Os resultados mostraram que, embora a intensidade dos pixels seja mais relevante que a textura dos vasos, as CNNs conseguem manter alto desempenho mesmo na ausência das duas características. Além disso, as redes não conseguem extrapolar facilmente a forma completa dos vasos utilizando apenas seus contornos ou eixos centrais como entrada. Por fim, verificamos que o campo receptivo efetivo utilizado pelas redes é de aproximadamente 20 pixels nos conjuntos de dados empregados nos experimentos, embora informações globais possam levar a uma pequena melhora na acurácia em imagens de fundo de olho.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCCUFSCarAttribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessSegmentação de vasos sanguíneosInterpretabilidadeRedes neuraisCampo receptivoBlood vessel segmentationInterpretabilityNeural networksReceptive fieldCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAO9. Indústria, Inovação e InfraestruturaAvaliação do impacto da forma, textura e campo receptivo na segmentação de vasos sanguíneosEvaluating the Influence of shape, texture, and network receptive field on blood vessel segmentationinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação_Weslley_dos_Santos_2025.pdfDissertação_Weslley_dos_Santos_2025.pdfapplication/pdf3186552https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/8441db6a-ceee-474a-ae01-d43af74f4474/download9df14c1cfd56927be8b22d06b6d3352cMD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-81167https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/dcdfd75d-16ea-4dc7-8db9-ee35b93c5ef7/downloaddcb5d775186468eac043bfcac8407c86MD52falseAnonymousREADTEXTDissertação_Weslley_dos_Santos_2025.pdf.txtDissertação_Weslley_dos_Santos_2025.pdf.txtExtracted texttext/plain103187https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/899604b6-cf9e-407c-8e01-6e6373fb8e68/download1aea4a704c2827854b063b7b49073146MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILDissertação_Weslley_dos_Santos_2025.pdf.jpgDissertação_Weslley_dos_Santos_2025.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4098https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/713b0102-15b4-4c4b-8d72-d63aafd08f04/downloadeeb602fc68855ceb959711a2cbfe8fe8MD54falseAnonymousREAD20.500.14289/234042026-01-14T03:08:19.229463Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/23404https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222026-01-14T03:08:19Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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description Blood vessel segmentation in medical images is a crucial step for the diagnosis of a wide range of pathologies, but it presents unique challenges due to the complexity and variability of the structures involved. Moreover, the lack of interpretability of Convolutional Neural Networks (CNNs) represents a significant barrier to clinical adoption, as it complicates model debugging, limits design improvements, and can reduce diagnostic confidence. In this study, we conducted systematic experiments to separately evaluate the contributions of shape, texture, and receptive field to the performance of CNNs in blood vessel segmentation. First, to assess the role of texture and pixel intensity, these features were selectively removed from image patches using pixel shuffling and normalization. Next, to isolate the influence of shape, segmentation models were trained using only the vessels’ outer contours or centerlines as input, thereby removing internal texture information. Finally, we investigated the amount of context required for robust segmentation by systematically varying the network’s theoretical receptive field. We found that, although pixel intensity is more relevant than vessel texture, CNNs can still maintain high performance even in the absence of both features. In addition, the networks are not able to easily extrapolate the full vessel shape when provided only with contours or centerlines as input. Finally, we observed that the effective receptive field used by the networks is approximately 20 pixels in the datasets employed, although global information can lead to a slight improvement in accuracy for fundus images.
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