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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-4615-7225
Document type: Tese
Access type: Acesso Embargado
Embargo Date: 2022-02-18
Title: Técnicas de Aprendizado de Máquinas na Segmentação Automática de Vasos Sanguíneos da Retina
Alternate title (s): Machine Learning Techniques in Automatic Segmentation of Retinal Blood Vessels
Author: Santos, Jucelino Cardoso Marciano dos
First Advisor: Carrijo, Gilberto Arantes
First member of the Committee: Ferreira, Júlio César
Second member of the Committee: Pais, Mônica Sakuray
Third member of the Committee: Veiga, Antônio Claudio Paschoarelli
Fourth member of the Committee: Carneiro, Milena Bueno Pereira
Summary: As imagens de retinografias, ou imagens de fundo de olho, são obtidas por meio da pupila e fornecem uma representação direta do sistema nervoso e vascular do corpo humano, são facilmente alteradas na presença de patologias diversas, por isso o grande interesse em imagens de retinografia. Doenças como lúpus, diabetes, zika, glaucoma, dentre outras produzem significativas alterações das estruturas anatômicas. Neste sentido, marcos anatômicos como o disco óptico, a mácula e vasos sanguíneos são marcadores importantes nos exames oftalmológicos. Consequentemente, muitos especialistas aplicam técnicas de processamento digital de imagens com objetivo de analisar, localizar e identificar tais estruturas. Em particular a segmentação dos vasos sanguíneos é um dos elementos chaves para compor sistemas de triagem ou diagnóstico automáticos. Por exemplo, a detecção de hemorragias presentes na estrutura vascular da retina pode indicar uma enfermidade como retinopatia diabética, doenças cardiovasculares entre outras. Diante disso, o objetivo geral deste trabalho é desenvolver e avaliar estratégias baseadas em Artificial Neural Network (ANN) e Convolutional Neural Network (CNN), a fim de aumentar o desempenho em segmentação de imagens de fundo de olho com ênfase nos vasos sanguíneos em termos das métricas de avaliação sensibilidade, especificidade e precisão utilizadas em imagens médicas. São propostas duas abordagens para segmentar os vasos sanguíneos em imagens de fundo de olho, de forma que as contribuições podem ser listadas como: (i) adaptação de um modelo Multilayer Perceptron (MLP) para a detectar os vasos sanguíneos, com resultados equivalentes ao estado da arte e (ii) adaptação do modelo Convolutional Neural Network (CNN), arquitetura U-Net, para segmentação dos vasos sanguíneos, com diferencial de utilizar todas as informações do modelo de cores rgb. A metodologia proposta foi avaliada nos bancos de dados publicamente disponíveis: Digital Retinal Images for Vessel Extraction (DRIVE) e Structured Analysis of the Retina (STARE). As arquiteturas MLP e CNN U-Net forneceram resultados expressivos em relação ao estado da arte, com medidas de precisão de 0.9487 e 0.9715 no banco de dados DRIVE.
Abstract: The images of retinographies, or images of the fundus of the eye, are obtained through the pupil and provide a direct representation of the nervous and vascular system of the human body, they are easily altered in the presence of different pathologies, hence the great interest in retinography images. Diseases such as lupus, diabetes, Zika, glaucoma, among others, produce significant changes in anatomical structures. In this sense, anatomical landmarks such as the optic disc, the macula and blood vessels are important markers in ophthalmologies exams. Consequently, many specialists apply digital image processing techniques in order to analyze, locate and identify such structures. In particular, the segmentation of blood vessels is one of the key elements to compose automatic screening or diagnosis systems. For example, the detection of hemorrhages present in the vascular structure of the retina can indicate a disease such as diabetic retinopathy, cardiovascular diseases, among others. Therefore, the general objective of this work is to develop and evaluate strategies based on Artificial Neural Network (ANN) and Convolutional Neural Network (CNN), in order to increase the performance in fundus image segmentation with an emphasis on blood vessels in terms of sensitivity, specificity and precision assessment metrics used in medical imaging. Two approaches are proposed to segment blood vessels in fundus images, so that the contributions can be listed as: (i) adaptation of a model Multilayer Perceptron (MLP) to detect the blood vessels, with results equivalent to the state of the art and (ii) adaptation of the CNN model, UNet architecture, for blood vessel segmentation, with the differential of using all the information of the RGB color model. The proposed methodology was evaluated in the publicly available databases: Digital Retinal Images for Vessel Extraction (DRIVE) and Structured Analysis of the Retina (STARE). The MLP and CNN UNet architectures provided expressive results in relation to the state of the art, with precision measurements of 0.9487 and 0.9713 in the DRIVE database.
Keywords: Imagens de fundo de olho
Pré-processamento digital de imagem
Segmentação dos vasos sanguíneos
Artificial Neural Network
Convolutional Neural Network
Background images
Digital image pre-processing
Segmentation of blood vessels
ArtiĄcial Neural Network
Convolutional Neural Network
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES
Subject: Engenharia Elétrica
Processamento da imagem digital
Olhos - Exame
Olhos - Vasos sanguíneos
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Quote: SANTOS, Jucelino Cardoso Marciano dos. Técnicas de aprendizado de máquinas na segmentação automática dos vasos sanguíneos da retina. 2022. 141 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.129.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.129
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34277
Date of defense: 18-Feb-2022
Appears in Collections:TESE - Engenharia Elétrica

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