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Tipo do documento: Tese
Título: Métodos para segmentação de medula espinhal e esôfago em tomografia computadorizada de planejamento à radioterapia
Título(s) alternativo(s): Methods for spinal cord and esophageal segmentation in planning computed tomography to radiotherapy
Autor: DINIZ, Joao Otávio Bandeira 
Primeiro orientador: SILVA, Aristófanes Corrêa
Primeiro coorientador: PAIVA, Anselmo Cardoso de
Primeiro membro da banca: SILVA, Aristófanes Corrêa
Segundo membro da banca: PAIVA, Anselmo Cardoso de
Terceiro membro da banca: BARROS FILHO, Allan Kardec Duailibe
Quarto membro da banca: BARROS NETTO, Stelmo Magalhães
Quinto membro da banca: FERNANDES, Leandro Augusto Frata
Resumo: A radioterapia (RT) é uma das opções mais utilizadas para o tratamento do câncer. Para o planejamento de tratamentos com RT, exames de tomografia computadorizada (TC) são comumente utilizados para delimitar os órgãos de risco (do inglês, organs at risk - OARs) e analisar o impacto da radiação nesses órgãos. Delimitar esses OARs requer muito tempo dos médicos especialistas e envolve uma grande equipe de profissionais. Além disso, essa tarefa executada fatia a fatia torna-se exaustiva e, consequentemente, sujeita a erros, especialmente em órgãos como a medula espinhal e o esôfago, que se estendem por várias fatias da TC e exigem uma segmentação precisa. Assim, são propostos, neste trabalho, métodos computacionais capazes de segmentar a medula espinhal e o esôfago em TC de planejamento. Para a segmentação da medula espinhal, são propostos dois métodos, sendo o primeiro compreendido por técnicas como template matching adaptativo para segmentação inicial, técnica de superpixel conhecida como intrinsic manifold simple linear iterative clustering (IMSLIC) para segmentação de candidatos à medula espinhal e redes neurais convolucionais (convolutional neural netowork - CNN) para classificação desses candidatos. O segundo método para segmentação da medula espinhal é composto por técnicas como template matching adaptativo para segmentação inicial de uma região de interesse e redes neurais convolucionais completamente conectadas (Fully Convolutional Network - FCN) para segmentaçãoo final da medula espinhal. Na segmentaçãoo do esôfago, é proposto um método composto por técnicas de registro do volume dos pacientes, atlas para definir o volume de interesse onde encontra-se o esôfago, pré-processamento para realçar as paredes do esôfago, FCN para segmentação do esôfago, e um pós-processamento para refinamento da segmentação. Os métodos foram aplicados em 36 imagens de TC de planejamento fornecidas pelo The Cancer Imaging Archive. O primeiro método para segmentação de medula espinhal obteve acurácia de 92,55%, especificidade de 92,87%, sensibilidade de 89,23% e 78,20% de Dice. O segundo método para segmentação de medula espinhal obteve acurácia de 99,24%, especificidade de 99,38%, sensibilidade de 91,52% e 81,69% de Dice. O método para segmentação de esôfago obteve acurácia de 99,69%, especificidade de 99,76%, sensibilidade de 90,61% e 82,15% de Dice. Assim, demonstra-se a viabilidade da análise de TC de planejamento utilizando técnicas de processamento de imagem e reconhecimento de padrões.
Abstract: Radiotherapy (RT) is one of the most used options for the treatment of cancer. For planning treatments with RT, computed tomography (CT) exams are commonly used to define organs at risk (OARs) and analyze the impact of radiation on these. Delimiting these OARs takes a lot of time from medical specialists, and it involves a large team of professionals. Besides, this task performed slice by slice becomes exhausting and, consequently, subject to errors, especially in organs such as the spinal cord and esophagus, which span several CT slices and require precise segmentation. Thus, in this work, computational methods capable of segmenting the spinal cord and esophagus in planning CT are proposed. For spinal cord segmentation, two methods are proposed, the first being comprised of techniques such as adaptive template matching for initial segmentation, a superpixel technique known as intrinsic manifold simple linear iterative clustering (IMSLIC) for segmentation of spinal cord candidates and convolutional neural networks (CNN) to classify these candidates. The second method for spinal cord segmentation consists of techniques, such as adaptive template matching for initial segmentation of a region of interest and fully convolutional neural networks (FCN) for final spinal cord segmentation. In the esophagus segmentation, it is proposed a method composed of techniques to registration the volume of patients, atlas to define the volume of interest where the esophagus is located, pre-processing to highlight the walls of the esophagus, CNN for esophagus segmentation, and post-processing to refine segmentation. We applied the method to 36 planning CT images provided by The Cancer Imaging Archive. The first method for spinal cord segmentation obtained an accuracy of 92.55%, a specificity of 92.87%, a sensitivity of 89.23%, and 78.20% of Dice. The second method for spinal cord segmentation obtained an accuracy of 99.24%, a specificity of 99.38%, a sensitivity of 91.52%, and 81.69% of Dice. The esophagus segmentation method obtained an accuracy of 99.69%, a specificity of 99.76%, a sensitivity of 90.61%, and 82.15% of Dice. Thus, we demostrated the feasibility of analyzing CT planning using image processing and pattern recognition techniques.
Palavras-chave: Redes neurais convolucionais
TC de planejamento
Imagens médicas
Medula espinhal
Esôfago
Convolutional Neural Network
Planning CT
Medical images
Spinal cord
Esophagus
Área(s) do CNPq: Metodologia e Técnicas da Computação
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Maranhão
Sigla da instituição: UFMA
Departamento: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DA ELETRICIDADE/CCET
Programa: PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ELETRICIDADE/CCET
Citação: DINIZ, João Otávio Bandeira. Métodos para segmentação de medula espinhal e esôfago em tomografia computadorizada de planejamento à radioterapia. 2021. 133 f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Eletricidade/CCET) - Universidade Federal do Maranhão, São Luís, 2021.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://tedebc.ufma.br/jspui/handle/tede/tede/3313
Data de defesa: 10-Mar-2021
Aparece nas coleções:TESE DE DOUTORADO - PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ELETRICIDADE

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