Segmentação de vasos sanguíneos com poucos dados via transferência de informação de forma

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Galvão, Wesley Nogueira
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/20.500.14289/23035
Resumo: Blood vessel segmentation is an essential task in various areas of biomedicine, such as ophthalmology and neurology. However, this task poses a significant challenge due to the scarcity of large annotated datasets, which consequently makes the manual annotation of new samples for training efficient deep learning models a costly endeavor. Transfer learning techniques have shown promise in overcoming these limitations, allowing the reuse of representations learned in one domain to improve performance in another, even when few examples are available in the target domain. The central hypothesis indicates that leveraging a shape prior of vessel-like forms, such as their tubular and branching characteristics, can lead to more robust and data-efficient models. In this context, this dissertation investigates the transfer of shape representations from a synthetic domain to the segmentation of medical images in a few-shot regime. To this end, we introduce VessShape, a methodology for generating a large-scale synthetic dataset designed to instill a strong shape bias in segmentation models. VessShape images combine procedurally generated tubular geometries with a wide variety of textures, encouraging models to learn shape cues over appearance features. The models pre-trained with VessShape were then fine-tuned and evaluated on two real-world datasets from different domains. The results demonstrate that the approach achieves strong segmentation performance in few-shot scenarios, requiring only a small number of samples for fine-tuning. Additionally, the models demonstrate a significant zero-shot learning capability, proving able to segment vessels in unseen domains without any target-specific training. These results support that pre-training with a strong shape bias constitutes an effective strategy to overcome data scarcity and enhance generalization in blood vessel segmentation.
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However, this task poses a significant challenge due to the scarcity of large annotated datasets, which consequently makes the manual annotation of new samples for training efficient deep learning models a costly endeavor. Transfer learning techniques have shown promise in overcoming these limitations, allowing the reuse of representations learned in one domain to improve performance in another, even when few examples are available in the target domain. The central hypothesis indicates that leveraging a shape prior of vessel-like forms, such as their tubular and branching characteristics, can lead to more robust and data-efficient models. In this context, this dissertation investigates the transfer of shape representations from a synthetic domain to the segmentation of medical images in a few-shot regime. To this end, we introduce VessShape, a methodology for generating a large-scale synthetic dataset designed to instill a strong shape bias in segmentation models. VessShape images combine procedurally generated tubular geometries with a wide variety of textures, encouraging models to learn shape cues over appearance features. The models pre-trained with VessShape were then fine-tuned and evaluated on two real-world datasets from different domains. The results demonstrate that the approach achieves strong segmentation performance in few-shot scenarios, requiring only a small number of samples for fine-tuning. Additionally, the models demonstrate a significant zero-shot learning capability, proving able to segment vessels in unseen domains without any target-specific training. These results support that pre-training with a strong shape bias constitutes an effective strategy to overcome data scarcity and enhance generalization in blood vessel segmentation.A segmentação de vasos sanguíneos é uma tarefa essencial em diversas áreas da biomedicina, como oftalmologia e neurologia. No entanto, esta tarefa impõe um importante desafio devido à escassez de grandes conjuntos de dados anotados, o que, consequentemente, torna oneroso o trabalho de anotação manual de novas amostras para o treinamento de modelos de aprendizado profundo eficientes. Técnicas de transferência de aprendizado têm-se mostrado promissoras para superar essas limitações, permitindo o reaproveitamento de representações aprendidas em um domínio para melhorar o desempenho em outro, mesmo quando há poucos exemplos disponíveis. Nesse contexto, este trabalho investiga a transferência de representações de forma a partir de um domínio sintético para a segmentação de imagens médicas em regime de poucas amostras. Nossa hipótese central é que o aprendizado de padrões de formas similares às dos vasos, como as características tubulares e ramificações, pode levar a modelos mais robustos e eficientes em termos de dados. Para isso, introduzimos o VessShape, uma metodologia para gerar um conjunto de dados sintético em larga escala, projetado para inserir um forte viés de forma em modelos de segmentação. As imagens do VessShape combinam geometrias tubulares geradas proceduralmente com uma ampla variedade de texturas, incentivando os modelos a aprenderem a forma ao invés de características de aparência. Redes neurais pré-treinadas com o VessShape foram refinadas e avaliadas em dois conjuntos de dados reais de domínios distintos. Os resultados emonstraram que a abordagem aprimora o desempenho de segmentação em cenários com poucos exemplos. Adicionalmente, os modelos demonstram uma significativa capacidade em zero-shot learning, sendo aptos a segmentar vasos em domínios não vistos sem qualquer treinamento específico no domínio de destino. Tais resultados sustentam que o pré-treinamento com um forte viés de forma constitui uma estratégia efetiva para contornar a escassez de dados e aprimorar a generalização na segmentação de vasos sanguíneos.porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCCUFSCarhttps://arxiv.org/abs/2510.27646Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessBlood vessel segmentationShape biasDomain adaptationFew-shot learningCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO9. Indústria, Inovação e InfraestruturaSegmentação de vasos sanguíneosViés de formaTransferência de domínioAprendizado com poucos exemplosSegmentação de vasos sanguíneos com poucos dados via transferência de informação de formaBlood vessel segmentation with few data via shape prior transferinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALdissertacao_mestrado_PPGCC_UFSCar_wesley_galvao_2025_versao_final.pdfdissertacao_mestrado_PPGCC_UFSCar_wesley_galvao_2025_versao_final.pdfapplication/pdf19117465https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/426c3078-4b72-4093-baa8-757f3d0fd7c1/downloadccf244ab9268e253565926cbaf54db54MD51trueAnonymousREADTEXTdissertacao_mestrado_PPGCC_UFSCar_wesley_galvao_2025_versao_final.pdf.txtdissertacao_mestrado_PPGCC_UFSCar_wesley_galvao_2025_versao_final.pdf.txtExtracted texttext/plain104032https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/37cc5be9-2557-45b9-aa12-ff45c5061778/download37106025daf9f36f988edb17a7bfa923MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILdissertacao_mestrado_PPGCC_UFSCar_wesley_galvao_2025_versao_final.pdf.jpgdissertacao_mestrado_PPGCC_UFSCar_wesley_galvao_2025_versao_final.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4019https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/51a801fb-cac7-4112-bb19-71d1ec01202c/download3b86930229bc3e9d40b1beff1c7ebba6MD54falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8906https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e4fd7ec1-bf93-4c3e-95ba-09cb4634332a/downloadfba754f0467e45ac3862bc2533fb2736MD52falseAnonymousREAD20.500.14289/230352025-11-08T03:02:23.374865Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/23035https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-11-08T03:02:23Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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