Towards the automation of colon segmentation in magnetic resonance images

(English) The study of the colonic volume has strong relevance in gastroenterology and contributes to the diagnosis and research of lowseverity diseases such as constipation, diarrhea, or Irritable Bowel Syndrome. In the context of these affections, the use of invasive techniques or ionizing imaging is not advisable, and the medical experts opted for Magnetic Resonance Imaging (MRI) acquired without contrast administration nor any form of patient preparation to avoid exogenous colon alteration. Specifically, two MRI modalities are of special interest: T2-weighted half-Fourier acquisition single-shot turbo spin echo sequence (T2-HASTE), which allows the segmentation of the colon lumen, and T1-weighted Fat-Sat (T1-FS), where fecal and gas contents can be distinguished. The colon analysis requires the segmentation of the colon both in T1-FS and T2-HASTE images, which is a cumbersome and timeconsuming process when performed manually. Moreover, manual segmentation involves a high degree of uncertainty in the colon boundaries delimitation, which leads to arbitrariness and poor measurement repeatability. This Ph.D. Thesis proposes an end-to-end quasi-automatic framework that comprises all the steps required to accurately segment the colon in T2-HASTE and T1-FS images, allowing the study of its morphology and the colonic content distribution. In order to ease the validation of the automated segmentation results, a tool for the synchronized T1-FS/T2-HASTE visualization has also been designed. T2-HASTE segmentation is organized as a three-stage pipeline. In the first stage, a custom tubularity filter is run to detect colon candidate areas. The specialists provide a list of points along the colon trajectory, which are combined with tubularity information to calculate an estimation of the colon medial path. In the second stage, the colon region of interest is delimited by applying custom segmentation algorithms to detect colon neighboring regions and the fat capsule containing
(Català) L'estudi del volum colònic és especialment rellevant per a la gastroenterologia i contribueix al diagnòstic i la recerca de malalties de caràcter lleu com poden ser el restrenyiment, la diarrea o la síndrome del còlon irritable. En el context d'aquestes afectacions, l'ús de tècniques invasives o ionitzants no està prou justificat i els equips mèdics han optat per l'ús d'imatges per ressonància magnètica (MRI) adquirides sense contrast ni cap altra forma de preparació, evitant així l'alteració de l'estat natural del còlon. Existeixen dues modalitats de MRI d'especial interès per a aquest propòsit: T2-weighted half-Fourier acquisition single-shot turbo spin echo sequence (T2-HASTE), que permet la segmentació del lumen del còlon, i la seqüència T1-weighted Fat-Sat (T1-FS), en la que es pot distingir el contingut fecal i el gas intestinal. L'anàlisi del còlon requereix la segmentació completa a les dues modalitats, T1-FS i T2-HASTE, el que comporta un procés manual summament lent i laboriós. Addicionalment, la segmentació manual duu associada un alt grau d'incertesa al voltant dels contorns del còlon, que es tradueix en arbitrarietat i una baixa repetitividad dels mesuraments. Aquesta tesi proposa un sistema automatitzat extrem a extrem, que inclou tots els passos necessaris per a aconseguir una segmentació de còlon precisa en imatges T2-HASTE i T1-FS, permetent l'estudi de la morfologia i la distribució dels continguts colònics. Per a facilitar la validació dels resultats de la segmentació automàtica, s'ha desenvolupat una eina per a la visualització sincronitzada de totes dues modalitats T1-FS/T2-HASTE. La segmentació d'imatges T2-HASTE és un procés constituït per tres fases. En la primera, s'utilitza un filtre de tubularidad especialitzat per a detectar àrees candidates. Els metges marquen uns punts de referència al llarg del còlon, que en combinació amb la informació de tubularidad permeten calcular una estimació de la línia medial del còlon. En una segona
(Español) El estudio del volumen colónico es especialmente relevante para la gastroenterología y contribuye al diagnóstico y a la investigación de enfermedades de carácter leve como pueden ser el estreñimiento, la diarrea o el síndrome del colon irritable. En el contexto de dichas afectaciones, el uso de técnicas invasivas o ionizantes no está suficientemente justificado y los equipos médicos han optado por el uso de imágenes por resonancia magnética (MRI) adquiridas sin contraste ni ninguna otra forma de preparación, evitando así la alteración del estado natural del colon. Existen dos modalidades de MRI de especial interés para este propósito: T2-weighted half-Fourier acquisition single-shot turbo spin echo sequence (T2-HASTE), que permite la segmentación del lumen del colon, y la secuencia T1-weighted Fat- Sat (T1-FS), en la que se pueden distinguir el contenido fecal y el gas intestinal. El análisis del colon requiere la segmentación completa en ambas modalidades, T1-FS y T2-HASTE, lo que conlleva un proceso manual sumamente lento y laborioso. Adicionalmente, la segmentación manual lleva sujeta un alto grado de incertidumbre alrededor de los contornos del colon, que se traduce en arbitrariedad y un bajo nivel de repetitividad de las mediciones. Esta tesis propone un sistema automatizado extremo a extremo, que incluye todos los pasos necesarios para conseguir una segmentación de colon precisa en imágenes T2-HASTE y T1-FS, permitiendo el estudio de la morfología y la distribución de los contenidos colónicos. Para facilitar la validación de los resultados de la segmentación automática, se ha desarrollado una herramienta para la visualización sincronizada de ambas modalidades T1-FS/T2-HASTE. La segmentación de imágenes T2-HASTE es un proceso constituido por tres fases. En la primera, se utiliza un filtro de tubularidad especializado para detectar áreas candidatas. Los médicos marcan unos puntos de referencia a lo largo del colon, que en combinación con la información
Postprint (published version)