Zpracování lékařských obrazů (Medical Image Processing)
Katedra kybernetiky, Karlovo náměstí 13
http://cmp.felk.cvut.cz/~kybic
Kdo jsme?
doc. Dr. Ing. Jan Kybic, vedoucí
Další členové týmu.
Jakým výzkumem se zabýváme
Vyvíjíme nové algoritmy pro zpracování obrazů v lékařských a biologických aplikacích. Zpracováváme obrazy z nejrůznějších modalit, od magnetické rezonance, přes ultrazvuk, počítačovou tomografii, až po mikroskopii. Pracujeme ve 2D, 3D, i 4D. Umíme data předzpracovat, registrovat i segmentovat, modelovat, rekonstruovat i klasifikovat. Používáme techniky zpracování signálů, numerické matematiky i strojového učení.
K čemu to je
Množství obrazových dat produkovaných v lékařství roste velmi rychle. Mnohé dříve analogové modality (například rentgen) dnes poskytují digitální data, modality poskytující 3D data (například magnetická rezonance či počítačová tomografii) jsou již rutinně používány v každodenní klinické praxi a jejich rozlišení rok od roku roste, čímž roste i velikost vytvářených dat. Rychlost s jakou se dnes pacient dozví výsledek vyšetření již není omezována technikou, ale dostupností radiologů. Mnohé světové nemocnice posílají běžně svá data do Číny a do Indie. My se snažíme vyvíjet nástroje které lékařům práci ulehčí a zrychlí, například tím že zvýrazníme změny od minulého vyšetření či upozorníme na potenciálně zajímavé oblasti. Možná někdy v daleké budoucnosti bude pak moci počítač provádět diagnózu zcela samostatně...
I v biologii roste objem generovaných dat závratně rychle - 3D mikroskopie je stále běžnější, rozlišení roste, a robotizovaná pracoviště dokáží preparáty automaticky připravit i nasnímat. Není však v lidských silách prohlédnout například všechny buňky na jednom sklíčku a u každé zjistit zda v ní není parazit, nebo zda neobsahuje nějakou genetickou anomálii. Člověku trvá měsíce než zakreslí nervová vlákna v kousku tkáně menším než milimetr. I zde je tedy velký potenciál pro počítačové algoritmy které by mohly vyhodnocení nasnímaných dat podstatně zrychlit. Výhodou je, že na rozdíl od aplikací v lékařství zde často není požadována absolutní bezchybnost.
Na čem konkrétně pracujeme (výběr projektů)
- Algoritmy pro segmentaci nervových vláken (axonů a dendritů) ve 3D obrazech z elektronové a optické mikroskopii (SEM-FIB, OCT, 2-photon microscopy) a pro vzájemnou registraci (srovnání) těchto obrazů.
- Algoritmy pro registraci obrazů, tedy pro nalezení geometrické transformace mezi dvěma obrazy stejného nebo podobného objektu. Registrace je používána pro detekci pohybu či změn a pro srovnání obrazů získaných různými přístroji či v různých časech.
- Výzkum nových kritérii podobnosti pro registraci a metod odhadů přesnosti registrace.
- Rychlé a robustní metody pro lokalizaci tenkých ultrazvukových nástrojů ve 3D ultrazvukových sekvencích.
- Numerické metody pro ultrazvukovou elastografii pomocí běžného ultrazvukového přístroje. Elastografie umožňuje zjistit mechanické vlastnosti tkání, což je užitečné například při detekci nádorů.
- Detekce plicních nodulů z obrazů počítačové tomografie jako prevence rakoviny plic.
- Algoritmy rekonstrukce pro paralelní magnetickou registraci. Ta se používá pro zvýšení rychlosti snímání.
- Prostorová rekonstrukce mozkové činnosti z EEG a MEG měření.
- Automatické vytváření modelů dýchacích pohybů pro kompenzaci těchto pohybů pro radiační terapii.
- Rychlé algoritmy pro segmentaci 3D lékařských obrazů.
- Diagnóza malárie z mikroskopických obrazů krve.
- Kvantifikace opacity kardiologické angiografie pro vyhodnocení perfuse srdce.
- Automatické kvantitativní vyhodnocení DNA analýzy gelovou elektroforézou.
- Prostorová rekonstrukce z monokulárního kolonoskopického videa pro vyšetření tlustého střeva.
Kdo financuje náš výzkum
Naši práci financují ministerstvo školství i zdravotnictví, grantová agentura České republiky i grantová agentura Akademie věd i evropské projekty, máme i přímou spolupráci s průmyslem.
S kým spolupracujeme
- EPFL, Švýcarsko
- INSA, Lyon, Francie
- INRIA Sophia-Antipolis, Francie
- UPM, Madrid, Španělsko
- CIMA, Pamplona, Španělsko
- DkfZ, Heidelberg, Německo
- TUM, Mnichov, Německo
- STI Medical, U.S.A
- University of Iowa, U.S.A
- 1.LF UK, Praha, Česká Republika
- Masarykova Univerzita, Brno, Česká Republika
Vybrané publikace
- Kybic Jan and Nieuwenhuis Claudia. "Bootstrap Optical Flow Confidence and Uncertainty Measure." Computer Vision and Image Understanding, vol. 115, no. 10, pp. 1449-1462, June 2011.
- J. Vandemeulebroucke, S. Rit, J. Kybic, P. Clarysse and D. Sarrut. "Spatio-Temporal Motion Estimation for Respiratory-Correlated Imaging of the Lungs." Medical Physics, vol. 38, no. 1, pp. 166-178, 2011.
- García-Arteaga Juan David, Kybic Jan and Li Wenjing. "Automatic Colposcopy Video Tissue Classification Using Higher Order Entropy Based Registration." Computers in Biology and Medicine, 2011.(Accepted)
- Marián Uherčík, Jan Kybic, Hervé Liebgott and Christian Cachard. "Model Fitting Using RANSAC for Surgical Tool Localization in 3-D Ultrasound Images." IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 57, no. 8, pp. 1907-1916, Aug. 2010.
- Arganda-Carreras I., Sorzano C. O. S., Thévenaz P., Munoz-Barrutia A., Kybic J., Marabini R., Carazo J. M. and Ortiz-de-Solorzano C.. "Non-rigid consistent registration of 2D image sequences." Physics in Medicine and Biology, vol. 55, no. 20, pp. 6215-6242, September 2010.
- Jan Kybic. "Bootstrap Resampling for Image Registration Uncertainty Estimation without Ground Truth." IEEE Trans. Image Processing, vol. 19, no. 1, pp. 64-73, January 2010.
- Martin Barva, Marián Uherčík, Jean-Martial Mari, Jan Kybic, Jean-René Duhamel, Hervé Liebgott, Václav Hlaváč and Christian Cachard. "Parallel Integral Projection Transform for Straight Electrode Localization in 3-D Ultrasound Images." IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control (UFFC), vol. 55, no. 7, pp. 1559-1569, July 2008.
- Brusseau Elisabeth, Kybic Jan, Déprez Jean-François and Basset Olivier. "2-D Locally Regularized Tissue Strain Estimation From Radio-Frequency Ultrasound Images: Theoretical Developments and Results on Experimental Data." IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 27, no. 2, pp. 145-160, February 2008.
- Clerc Maureen and Kybic Jan. "Cortical mapping by Laplace-Cauchy transmission using a boundary element method.." Journal on Inverse Problems, vol. 23, pp. 2589-2601, November 2007.
- Petr Jan, Kybic Jan, Bock Michael, Müller Sven and Hlaváč Václav. "Parallel Image Reconstruction Using B-Spline Approximation (PROBER)." Magnetic Resonance in Medicine, vol. 58, no. 9, pp. 582-591, September 2007.
- Jan Kybic, Maureen Clerc, Olivier Faugeras, Renaud Keriven and Théo Papadopoulo. "Generalized Head Models for MEG/EEG: BEM beyond Nested Volumes." Physics in Medicine and Biology, vol. 51, no. 5, pp. 1333-1346, February 2006.
- Jan Kybic, Maureen Clerc, Olivier Faugeras, Renaud Keriven and Théo Papadopoulo. "Fast Multipole Acceleration of the MEG/EEG Boundary Element Method." Physics in Medicine and Biology, vol. 50, no. 19, pp. 4695-4710, October 2005.
- Ledesma-Carbayo María Jesús, Jan Kybic, Manuel Desco, Andrés Santos, Michael Sühling, Patrick Hunziker and Michael Unser. "Spatio-Temporal Non-Rigid Registration for Ultrasound Cardiac Motion Estimation." IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 24, no. 9, pp. 1113-1126, September 2005.
- Kybic Jan, Clerc Maureen, Abboud Touffic, Faugeras Olivier, Keriven Renaud and Papadopoulo Théo. "A common formalism for the integral formulations of the forward EEG problem." IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 24, no. 1, pp. 12-28, January 2005.
- Olivier Faugeras, Geoffray Adde, Guillaume Charpiat, Christophe Chefd'Hotel, Maureen Clerc, Thomas Deneux, Rachide Deriche, Gerardo Hermosillo, Renaud Keriven, Pierre Kornprobst, Jan Kybic, Christophe Lenglet, Lucero Lopez-Perez, Théo Papadopoulo, Jean-Philippe Pons, Florent Segonne, Bertrand Thirion, David Tschumperle, Thierry Vieville and Nicolas Wotawa. "Variational, geometric, and statistical methods for modeling brain anatomy and function." Neuroimage, vol. 23S1, pp. S46-S55, 2004.
- Jan Kybic and Michael Unser. "Fast Parametric Elastic Image Registration." IEEE Transactions on Image Processing, vol. 12, no. 11, pp. 1427-1442, November 2003.
- Jan Kybic, Thierry Blu and Michael Unser. "Generalized sampling: A variational approach. Part II - Applications." IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 50, no. 8, pp. 1977-1985, August 2002.
- Jan Kybic, Thierry Blu and Michael Unser. "Generalized sampling: A variational approach. Part I - Theory." IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 50, no. 8, pp. 1965-1976, August 2002.
- Jan Kybic, Philippe Thévenaz, Arto Nirkko and Michael Unser. "Unwarping of Unidirectionally Distorted EPI Images." IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 19, no. 2, pp. 80-93, February 2000.