Context-Driven Active Contour (CDAC): um novo método de segmentação de imagens médicas baseado em contorno ativo e compreensão contextual

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Silva, Suane Pires Pinheiro da
Orientador(a): Rebouças Filho, Pedro Pedrosa
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81671
Resumo: New segmentation approaches based on deformable active contour models are frequently developed and tested in different areas of knowledge, to personalize and improve the accuracy in detecting specific regions of interest. Within this scenario, this study aims to create a new segmentation algorithm based on Active Contour Models (ACM), an adaptive method, via context analysis, to define the total energy, called Context-Driven Active Contour (CDAC). This algorithm incorporates the specialist doctor's knowledge when processing markings made by the user on the image, allowing the incorporation of contextual information that an automatic model may not fully capture. This approach seeks to improve segmentation and democratize the functioning of the proposed model. However, the incorporation of specialized knowledge at the beginning of the process aimed to significantly optimize the results, seeking to enhance the algorithm's performance. The performance of the CDAC was evaluated using Computed Tomography (CT) images of the chest and skull, to segment the lungs, in the chest CT images, and areas affected by Cerebral Vascular Accident (CVA), in the CT images, of the skull. Regarding the chest CT dataset, images from healthy individuals with Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) and Pulmonary Fibrosis were analyzed, which contributed to a comprehensive and robust assessment of the efficiency of CDAC for the task of lung segmentation. Furthermore, regarding chest CT images, an individual segmentation assessment of the lungs was also considered, since each lung presents distinct structural characteristics and this factor becomes a challenge, requiring the segmentation model to adapt to the specific anatomical and pathological variations of each lung. The main performance metrics presented in the literature were used to evaluate the CDAC. Quantitative performance metrics included Accuracy, Precision, Sensitivity, Specificity, and Matthews Correlation Coefficient. Regarding similarity performance metrics, the Jaccard Index, Dice Coefficient, and Hausdorff Distance were considered. The results of CDAC were compared with those of other state-of-the-art methods, also based on ACM, and demonstrated potential both in the analysis of images of healthy patients and in those that exhibit areas affected by injuries and diseases.
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This algorithm incorporates the specialist doctor's knowledge when processing markings made by the user on the image, allowing the incorporation of contextual information that an automatic model may not fully capture. This approach seeks to improve segmentation and democratize the functioning of the proposed model. However, the incorporation of specialized knowledge at the beginning of the process aimed to significantly optimize the results, seeking to enhance the algorithm's performance. The performance of the CDAC was evaluated using Computed Tomography (CT) images of the chest and skull, to segment the lungs, in the chest CT images, and areas affected by Cerebral Vascular Accident (CVA), in the CT images, of the skull. Regarding the chest CT dataset, images from healthy individuals with Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) and Pulmonary Fibrosis were analyzed, which contributed to a comprehensive and robust assessment of the efficiency of CDAC for the task of lung segmentation. Furthermore, regarding chest CT images, an individual segmentation assessment of the lungs was also considered, since each lung presents distinct structural characteristics and this factor becomes a challenge, requiring the segmentation model to adapt to the specific anatomical and pathological variations of each lung. The main performance metrics presented in the literature were used to evaluate the CDAC. Quantitative performance metrics included Accuracy, Precision, Sensitivity, Specificity, and Matthews Correlation Coefficient. Regarding similarity performance metrics, the Jaccard Index, Dice Coefficient, and Hausdorff Distance were considered. The results of CDAC were compared with those of other state-of-the-art methods, also based on ACM, and demonstrated potential both in the analysis of images of healthy patients and in those that exhibit areas affected by injuries and diseases.Novas abordagens de segmentação baseadas em modelos deformáveis de contornos ativos são frequentemente desenvolvidas e testadas em diversas áreas do conhecimento, com o objetivo de personalizar e aprimorar a precisão na detecção de regiões específicas de interesse. Dentro deste cenário, este estudo tem o objetivo de criar um novo algoritmo de segmentação baseado em Modelos de Contornos Ativos (MCA), sendo um método adaptativo, via análise de contexto, para definir a energia total, denominado Context-Driven Active Contour (CDAC). Este algoritmo incorpora o conhecimento do médico especialista ao processar marcações feitas pelo usuário na imagem, permitindo a incorporação de informações contextuais que um modelo automático pode não capturar completamente. Tal abordagem busca aprimorar a segmentação e democratizar o funcionamento do modelo proposto. Contudo, a incorporação do conhecimento especializado no início do processo visou otimizar significativamente os resultados, buscando potencializar a performance do algoritmo. O desempenho do CDAC foi avaliado utilizando imagens de Tomografia Computadorizada (TC) de tórax e de crânio, com o objetivo de segmentar os pulmões, nas imagens de TC de tórax, e áreas afetadas por Acidente Vascular Cerebral (AVC), nas imagens de TC de crânio. Quanto ao dataset de TC de tórax, foram analisadas imagens de indivíduos sadios, com Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica (DPOC) e com Fibrose Pulmonar, o que contribuiu para uma avaliação abrangente e robusta da eficiência do CDAC para a tarefa de segmentação de pulmão. Além disso, ainda com relação às imagens de TC de tórax, também foi considerada uma avaliação de segmentação individual dos pulmões, uma vez que cada pulmão apresenta características estruturais distintas e esse fator torna-se um desafio, requerendo que o modelo de segmentação se adapte às variações anatômicas e patológicas específicas de cada pulmão. Foram empregadas as principais métricas de desempenho apresentadas na literatura para avaliação da CDAC. As métricas de desempenho quantitativo incluíram Acurácia, Precisão, Sensibilidade, Especificidade e Coeficiente de Correlação de Matthews. Quanto às métricas de desempenho por similaridade, foi considerado o Índice de Jaccard, o Coeficiente de Dice e a Distância de Hausdorff. Os resultados do CDAC foram comparados com os de outros métodos do estado da arte, também baseados em MCA, e demonstraram seu potencial tanto na análise de imagens de pacientes saudáveis quanto naquelas que exibem áreas afetadas por lesões e doenças.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.Context-Driven Active Contour (CDAC): um novo método de segmentação de imagens médicas baseado em contorno ativo e compreensão contextualContext-Driven Active Contour (CDAC): a novel medical image segmentation method based on active contour and contextual~understandinginfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisModelos de contornos ativosMecanismos de atençãoProcessamento de imagem assistida por computadorActive contour modelsAttention mechanismsImage processing, computer-assistedCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttp://lattes.cnpq.br/1380523472217672https://orcid.org/0000-0002-1878-5489http://lattes.cnpq.br/4347965302097614https://orcid.org/0000-0001-8408-4042http://lattes.cnpq.br/88411568178630192025-04-28ORIGINAL2024_tese_sppsilva.pdf2024_tese_sppsilva.pdfTeseapplication/pdf7742325http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/81671/3/2024_tese_sppsilva.pdf844ead445070ff7081c9a76e0c2d5dc0MD53LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/81671/4/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD54riufc/816712025-07-23 14:57:21.731oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-07-23T17:57:21Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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