Generalizing deep Learning methods for volumetric medical image analysis

dc.affiliation.instituteInstitut für Medizinische Informatik
dc.contributor.authorWeihsbach, Christian
dc.contributor.refereeHeinrich, Mattias P.
dc.date.accepted2025-11-20
dc.date.accessioned2025-11-27T14:09:59Z
dc.date.available2025-11-27T14:09:59Z
dc.date.issued2025
dc.descriptionDie Möglichkeiten der klinische Diagnostik und Forschung haben sich mit dem Aufkommen der volumetrischen CT- und MRT-Bildgebung, die eine dreidimensionale Darstellung von Körperteilen und Organen ermöglicht, drastisch verbessert. Deep Learning ist inzwischen zum Standard für die automatisierte Verarbeitung medizinischer Bilder geworden und unterstützt KlinikerInnen bei deren Interpretation und der Diagnose von Krankheiten. Trotzdem erzielen Deep-Learning-Methoden bei der Anwendung im klinischen Alltag oft schlechtere Ergebnisse als während der Trainingsphase. Dieser Leistungsabfall wird durch veränderte Eigenschaften der Eingabebilder, die beim Training der Deep-Learning-Modelle, und der Bilder, die später bei der Inferenz verwendet werden, in Verbindung mit unzureichend generalisierender Modelle verursacht. Bildunterschiede, auf welche die Modelle nicht generalisieren können, sind nicht unter allen Umständen vorhersehbar und können mitunter für das menschliche Auge unsichtbar sein. Gut ausgebildete RadiologInnen, die selbst auf vielfältigen Bildern valide Diagnosen stellen können, sind jedoch auf die Zuverlässigkeit und Interpretierbarkeit der Ergebnisse angewiesen. In dieser Arbeit werden vier Deep-Learning-Methoden zur volumetrischen medizinischen Bildverarbeitung vorgestellt, die zuverlässig auf Bilddaten generalisieren. Die Arbeit zeigt, in welchen Bereichen und auf welchen Ebenen die Generalisierung für volumetrische medi- zinische Bilder ermöglicht und verbessert werden kann. Die entwickelten Methoden decken verschiedene Anwendungsbereiche wie die medizinische Bildgebung von Herz, Abdomen, Wirbelsäule und Gehirn ab. Generalisierung für die Form-Rekonstruktion von Herzkammern auf Basis weniger Schichtbilder von MRT-Aufnahmen wurde durch das gemeinsame Mod- ellieren einer Deep-Learning-Pipeline und des MRT-Aufnahmeprozesses ermöglicht. Die effektive Kombination von generalisierendem Training und Modellanpassung auf Einzelscans zur Inferenzzeit wurde verwendet, um Organe zuverlässig auch unter Intensitätsverschiebungen zwischen CT- und MRT-Bildern zu segmentieren. Gewichtungsfaktoren für Ungenauigkeiten in Pseudo-Grundwahrheiten wurden in die Verlustfunktion während des Trainings von Segmen- tierungsmodellen integriert, um die Qualität der zwischen verschieden gewichteten MRT-Bildern übertragenen Label zu bewerten. Durch Designmodifikationen auf Ebene der Modellparameter, wurde eine stabile, generalisierende Inferenz auf rotierten oder gespiegelten Eingabebilddaten bei gleichzeitiger Verringerung des Rechenaufwands erreicht. Alle Methoden haben sich im Training mit kleinen Datensätzen mit weit weniger als hundert Trainingsbildern als effektiv erwiesen, was die Effizienz der methodischen Entwicklungen beweist.
dc.description.abstractThe emergence of volumetric CT and MRI imaging technologies has dramatically improved clinical diagnostics and research, enabling visualization of body parts and organs in three dimensions. Deep learning, with its fundamental principles invented in the last century, has become a de facto standard for the automated processing of medical images, supporting clinicians in image interpretation and diagnosis. However, despite their widespread success, deep learning methods often achieve inferior results when applied in clinical practice compared to the training stage. This drop in performance is caused by the shifted properties of the images used during the deep learning models’ training and the images encountered later at the time of inference, combined with the models’ insufficient generalization capabilities. The shift in data properties to which the models fail to generalize may not be foreseen, and problematic image differences for the deep learning algorithms may be invisible to the human eye and not understandable by well-trained radiologists who can reliably diagnose patients’ conditions. In this thesis, four methods for volumetric medical imaging are presented that reliably generalize. It is researched in which areas and on which levels the generalization for volumetric medical images can be enabled and improved. The developed methods cover various fields of application, such as cardiac, abdominal, spinal, and brain volumetric medical imaging. Generalization was enabled by modeling acquisition processes for cardiac shape reconstruction, by effectively combining generalization and adaptation paradigms to overcome CT to MRI image intensity differences, by harnessing image registration in combination with loss-based modifications for generalizing segmentation of brain tumors across differently weighted MRI images, and by model parameter design modifications targeting the inner units of deep learning architecture to infer results from rotated or reflected input data reliably. All methods proved to work even for small-scale datasets with far less than one hundred samples, proving the efficiency of the methodological contributions as an alternative to following the trend of increasing dataset sizes and along with additional computational effort during training.
dc.identifier.urihttps://epub.uni-luebeck.de/handle/zhb_hl/3555
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:841-2025112702
dc.language.isoen
dc.subjectGeneralization
dc.subjectDeep learning
dc.subjectMedical Image Analysis
dc.subject.ddc004
dc.titleGeneralizing deep Learning methods for volumetric medical image analysis
dc.typethesis.doctoral

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